Abstrakt
Štúdia
Homogenizácia založená na kavitácii je sľubnou metódou na zvýšenie stability a výkonu paliva. generovaním intenzívnych mikrobublín, ktoré sa prudko rozpadajú, kavitácia podporuje fyzikálne miešanie aj miernu chemickú aktiváciu, čím sa zlepšuje reológia, disperzia a správanie pri spaľovaní. V tejto štúdii sa hodnotia účinky kavitácie na zmesi HFO-biodiesel-glycerín, pričom sa posudzuje hustota, viskozita, obsah síry a kovov, výhrevnosť, tvorba usadenín a výkon motora.
V tabuľke 1 sú zhrnuté porovnávacie fyzikálne a chemické vlastnosti troch hlavných zložiek paliva použitých v tejto štúdii: HFO 380, bionafta (FAME) a glycerín. HFO 380 slúži ako základná referenčná hodnota, zatiaľ čo bionafta a glycerín slúžia ako obnoviteľné zložky zmesi bez obsahu síry. Ich kontrastné hustoty, viskozity a obsah kyslíka sú kľúčovými faktormi ovplyvňujúcimi správanie zmesi počas homogenizácie a spaľovania. Pochopenie týchto východiskových vlastností poskytuje základ pre posúdenie účinnosti kavitačnej úpravy RAPTECH pri zlepšovaní homogenity, stability a celkovej kvality paliva.
Tabuľka 1: Porovnávacie vlastnosti paliva HFO 380, bionafty (FAME) a glycerínu.
2. Materiály a metódy
3. Výsledky a diskusia
3.1 Fyzikálne vlastnosti a reológia
Obrázok 1: Hustota zmesi palív v závislosti od teploty
Pokiaľ ide o hustotu API, znázornenú na obrázku 2, najnižšia hodnota sa zaznamenala v prípade čistého HFO 380, čo odráža jeho relatívne vysokú hustotu. Keď sa HFO zmieša pomocou kavitácie, hmotnosť API sa mierne zvýši, čo naznačuje mierne zníženie hustoty. Výraznejší účinok sa prejavuje pri pridaní 20 % bionafty ručným miešaním, keďže bionafta má podstatne nižšiu hustotu ako HFO, čo vedie k výraznému zvýšeniu hmotnosti API. Najvyššia hmotnosť API sa dosiahne pri HFO s obsahom 20 % bionafty upravenej kavitáciou. V tomto prípade je rozdiel medzi ručným miešaním a miešaním pomocou kavitácie relatívne malý, ale proces kavitácie stále poskytuje dodatočné zlepšenie hmotnosti API nad rámec účinku samotnej bionafty.
Obrázok 2: Hmotnosť API pre skúmané zmesi palív
Obrázok 3: Kinematická viskozita palivovej zmesi v závislosti od teploty
3.2 Chemické vlastnosti a modernizácia paliva
Obrázok 4: Obsah síry v skúmanej zmesi palív
Obrázok 5: Obsah vanádu, kremíka a hliníka v skúmaných palivových zmesiach
Obrázok 6: Skúmaná čistá výhrevnosť zmesi palív
Obrázok 7: Bod vzplanutia pre skúmanú zmes palív
Obrázok 8: Teplota tuhnutia skúmanej zmesi palív
3.3 Sedimenty, popol a uhlíkový zvyšok
Obrázok 9: Celková existencia sedimentov (% hmotnosti) pre skúmanú zmes palív
Obrázok 10: Celkový sedimentačný potenciál (% hmotnosti) pre skúmané zmesi palív
Toto podstatné zlepšenie naznačuje výrazne vyššiu stabilitu paliva a výrazne nižšie riziko tvorby kalov počas skladovania a prevádzky motora. Vieme, že tvorba kalov pri tankovaní na lodiach zostáva pretrvávajúcou prevádzkovou a regulačnou výzvou so značnými ekonomickými dôsledkami.
Miera tvorby kalu totiž závisí od rôznych faktorov vrátane zloženia paliva, podmienok skladovania a manipulačných postupov. Prevádzkové skúsenosti a usmernenia IMO naznačujú, že tvorba kalov počas čistenia a skladovania paliva sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí 1 - 3 % objemu spotrebovaného HFO, hoci sa to týka zvyškov zo separátorov/zásobníkov a nemalo by sa to priamo stotožňovať so špecifikáciou ISO 8217 pre sedimenty.
Pre plavidlo skladujúce 1 000 ton HFO 380:
Tabuľka 2. Ekonomický vplyv tvorby kalu z HFO 380
Pre plavidlo, ktoré spotrebuje 20 000 t HFO ročne, to zodpovedá úspore paliva približne 20 - 200 t ročne alebo približne 10 000 - 100 000 USD ročne (na základe referenčnej ceny 500 USD/t). Vyššie ceny paliva alebo väčšia spotreba by tieto úspory úmerne zvýšili.
Je potrebné poznamenať, že tieto odhady zohľadňujú len priamu stratu hodnoty paliva. V praxi sú náklady na nakladanie s kalmi často vyššie v dôsledku povinnej likvidácie podľa prílohy I k dohovoru MARPOL, prístavných poplatkov za príjem a požiadaviek na manipuláciu s kalmi, ktoré môžu výrazne prekročiť jednoduché náklady na stratené palivo.
Kombináciou systematického riadenia paliva s pokročilou homogenizáciou na báze kavitácie môžu prevádzkovatelia:
Obrázok 11: Obsah popola (% hmotnosti) pre skúmanú zmes palív.
Zníženie obsahu zvyškového uhlíka z čistého HFO na HFO-20 % bionafty, znázornené na obrázku 12, je spôsobené najmä tým, že sa tam ťažké aromatické uhľovodíky nahrádzajú ľahšími estermi kyslíkatých mastných kyselín bionafty. Ďalšie zníženie pozorované v prípade zmesi HFO-10 % bionafty a 5 % glycerínu vyplýva zo zloženia glycerínu bohatého na kyslík, ktorý podporuje úplnejší tepelný rozklad a obmedzuje tvorbu žiaruvzdorných zvyškov. Mierny nárast zvyškov uhlíka o približne 3 % pri kavitačnom spracovaní HFO-20 % bionafty sa pripisuje zvýšenej aktivácii tepelného rozkladu vyvolanej intenzívnym miešaním, ktoré vzniká počas kavitácie v porovnaní s ručným miešaním. Tieto úpravy zlepšujú účinnosť spaľovania, znižujú tvorbu sadzí a usadenín v motoroch a uľahčujú hladšiu manipuláciu s palivom počas tankovania a skladovania.
Obrázok 12: Zvyšky uhlíka (% hmotnosti) pre skúmanú zmes palív.
3.4 Spaľovanie a výkon motora
Zmesi HFO-FAME vyrobené pomocou kavitácie sa testovali a hodnotili z hľadiska výkonu v štvortaktnom lodnom dieselovom motore v porovnaní s konvenčne (hrubo) vyrobenými zmesami HFO-FAME. Výskumy sa uskutočnili na kompletnej skúšobnej stolici motora, ktorú poskytla spoločnosť FVTR GmbH, na základe motora Caterpillar MaK 6M20. V nasledujúcich bodoch sú zhrnuté hlavné výstupy testu:
3.5. Zhrnutie zlepšenia paliva a spaľovania - "Zisk výkonnosti vďaka technológii CaviFlow®"
V tejto fáze možno celkové účinky kavitačnej úpravy RAPTECH na vlastnosti paliva, výkonnosť spaľovania a prevádzkovú účinnosť zhrnúť takto. Údaje potvrdzujú merateľné fyzikálne, chemické a ekonomické výhody kavitačne upravených palív v porovnaní s konvenčne zmiešanými palivami.
Tabuľka 3. Kľúčové zisky z výkonnosti s kavitačnou úpravou CaviFlow®
Tabuľka 4. Odhadovaný ročný ekonomický vplyv optimalizácie paliva na základe kavitácie
Za predpokladu prípadového scenára tankera s 50 000 DWT, ktorý pracuje so zložkou FAME približne 20 %, dochádza pri zohľadnení prínosov účinnosti kavitačnej technológie RAPTECH k zníženiu čistého emisného faktora CO₂ z 3,114 t CO₂/t paliva pre čistý HFO na 2,856 t CO₂/t paliva. To zodpovedá celkovej úspore CO₂ približne 1,548 t ročne, čo účinne zvyšuje hodnotenie CII plavidla z C na B. Odhadovaný hospodársky a environmentálny vplyv týchto zlepšení je zhrnutý v tabuľke 4, ktorá zdôrazňuje kombinované výhody z hľadiska energetickej účinnosti, zníženia emisií a úspory prevádzkových nákladov.
Tieto konsolidované zlepšenia potvrdzujú, že kavitačná úprava účinne zvyšuje celkovú výkonnosť zmesných lodných palív - zlepšuje energetickú účinnosť, prevádzkovú spoľahlivosť a dodržiavanie environmentálnych predpisov.
4. Záver
Homogenizácia s asistenciou kavitácie vykazuje jasný potenciál na zlepšenie fyzikálnych aj chemických vlastností zmesných palív - v tejto štúdii zmesí HFO, bionafty a glycerínu.
Medzi hlavné pozorované výhody patria:
Tieto zistenia dokazujú, že kavitačná homogenizácia môže slúžiť ako škálovateľný, energeticky efektívny a environmentálne kompatibilný proces na modernizáciu a stabilizáciu zmesných lodných palív. Pokračujúci výskum mechanizmov chemickej modifikácie vyvolanej kavitáciou a dlhodobej výkonnosti motorov ďalej podporí jej integráciu do udržateľných systémov tankovania a úpravy paliva.
Autori: Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencie
1. Medzinárodná námorná organizácia (IMO). Nariadenie IMO o hornej hranici obsahu síry na rok 2020. IMO, Londýn, 2020.
2. ISO 8217:2017. Špecifikácie lodných palív. medzinárodná organizácia pre normalizáciu, Ženeva, 2017.
3. EN 14214. Metylestery mastných kyselín (FAME) pre palivá na výrobu bionafty - Požiadavky a skúšobné metódy. Európsky výbor pre normalizáciu, Brusel, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology (Kavitačná technológia miešania): Technická brožúra. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Správa o úplnej skúške motora - CaterpillarMaK 6M20, zmesi HFO, bionafty a glycerínu. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energetické palivá,2020, 34, 987-998.
- Táto štúdia hodnotí vplyv kavitačnej homogenizácie na ťažký vykurovací olej (HFO 380) a jeho zmesi s bionaftou a glycerínom pre lodné aplikácie. Porovnávali sa HFO, HFO - 20 % bionafta (B20) a HFO - 10 % bionafta - 5 % glycerín (B10G5) pri bežnom ručnom miešaní a kavitačnej úprave.
- Kavitácia výrazne zlepšila viaceré vlastnosti paliva vrátane viskozity (zníženie až o 19 %), obsahu síry (zníženie o 1,5 - 19 %) a kovových kontaminantov (zníženie až o 33 %) pri zachovaní porovnateľnej výhrevnosti. Testy motora v plnom rozsahu na motore Caterpillar MaK 6M20 potvrdili zlepšenú stabilitu spaľovania, znížené požiadavky na predhrievanie, miernu úsporu paliva (~1 %) a konzistentné profily emisií.
- Tieto výsledky naznačujú, že kavitácia podporuje účinné miešanie a homogenizáciu, uľahčuje manipuláciu s kalom a zvyškovou vodou a vyvoláva miernu (nastaviteľnú) chemickú aktiváciu in situ. Celkovo predstavuje spracovanie založené na kavitácii praktickú cestu k čistejšiemu, efektívnejšiemu a udržateľnejšiemu využívaniu zmesných lodných palív.
- Lodný priemysel je pod čoraz väčším tlakom na znižovanie emisií a zvyšovanie účinnosti palív, čo je spôsobené limitom IMO na rok 2020 pre obsah síry, nariadeniami o intenzite emisií uhlíka a rastúcim využívaním alternatívnych palív. Ťažký vykurovací olej (HFO) sa naďalej široko používa vďaka vysokému obsahu energie, ale na splnenie environmentálnych predpisov a zlepšenie spaľovacích vlastností je potrebné miešanie s obnoviteľnými zložkami, ako je bionafta a glycerín.
Štúdia
Homogenizácia založená na kavitácii je sľubnou metódou na zvýšenie stability a výkonu paliva. generovaním intenzívnych mikrobublín, ktoré sa prudko rozpadajú, kavitácia podporuje fyzikálne miešanie aj miernu chemickú aktiváciu, čím sa zlepšuje reológia, disperzia a správanie pri spaľovaní. V tejto štúdii sa hodnotia účinky kavitácie na zmesi HFO-biodiesel-glycerín, pričom sa posudzuje hustota, viskozita, obsah síry a kovov, výhrevnosť, tvorba usadenín a výkon motora.
V tabuľke 1 sú zhrnuté porovnávacie fyzikálne a chemické vlastnosti troch hlavných zložiek paliva použitých v tejto štúdii: HFO 380, bionafta (FAME) a glycerín. HFO 380 slúži ako základná referenčná hodnota, zatiaľ čo bionafta a glycerín slúžia ako obnoviteľné zložky zmesi bez obsahu síry. Ich kontrastné hustoty, viskozity a obsah kyslíka sú kľúčovými faktormi ovplyvňujúcimi správanie zmesi počas homogenizácie a spaľovania. Pochopenie týchto východiskových vlastností poskytuje základ pre posúdenie účinnosti kavitačnej úpravy RAPTECH pri zlepšovaní homogenity, stability a celkovej kvality paliva.
| Parameter | Jednotka | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Bionafta (FAME, EN 14214) | Glycerín (surový/rafinovaný) |
|---|---|---|---|---|
| Hustota pri 15 °C | kg/m³ | Max. 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Kinematická viskozita pri 50 °C | mm²/s | Max. 380 | 4-6 | ~1 200 (pri 40 °C) |
| Obsah síry | % (m/m) | Max. 3,50 | <0.001 | 0 |
| Obsah popola | % (m/m) | Max. 0,15 | <0.02 | <0.01 |
| Bod nalievania | °C | Max. 30 | -5 až +15 | ~18 |
| Bod vzplanutia | °C | Min. 60 | >120 | >160 |
| Celkový potenciál sedimentov | % (m/m) | Max. 0,10 | - | - |
| Celkový existujúci sediment | % (m/m) | Max. 0,10 | - | - |
| Hrubá výhrevnosť | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Čistá výhrevnosť | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Obsah kyslíka | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Zvyšky uhlíka (CCR) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Tabuľka 1: Porovnávacie vlastnosti paliva HFO 380, bionafty (FAME) a glycerínu.
2. Materiály a metódy
- Palivá: HFO 380, bionafta (FAME), glycerín
- Zmesi: HFO, HFO-20 % bionafty (B20), HFO-10 % bionafty-5 % glycerínu (B10G5)
- Miešanie: Konvenčné ručné miešanie (HB/Coarse) a miešanie s asistenciou kavitácie (CF) pomocou systému CaviFlow® spoločnosti RAPTECH
- Analýzy: Hustota, hmotnosť API, kinematická viskozita, síra, kovy, výhrevnosť, bod vzplanutia, bod tuhnutia, celkový obsah sedimentov (TSE), celkový potenciál sedimentov (TSP), obsah popola a uhlíkový zvyšok, merané v Bureau Veritas
- Testovanie motora: FVTR GmbH plnorozmerná skúšobná stolica pre lodné dieselové motory (Caterpillar MaK 6M20). Zaznamenával sa výkon, emisie, časovanie spaľovania a spotreba paliva
3. Výsledky a diskusia
3.1 Fyzikálne vlastnosti a reológia
- Hustota a hmotnosť API: Keďže bionafta (860-900 kg/m³ pri 15 °C) má nižšiu hustotu ako HFO 380 a obe majú nižšiu hustotu ako glycerín (1264 kg/m³ pri 15 °C), obrázok 1 znázorňuje pokles hustoty po pridaní bionafty do HFO 380 a zodpovedajúci nárast po pridaní glycerínu. Poukazuje tiež na výhodu použitia kavitačnej technológie v porovnaní so štandardným ručným miešaním, čím sa dosiahne dodatočné zníženie hustoty približne o 0,3 %.
Obrázok 1: Hustota zmesi palív v závislosti od teploty
Pokiaľ ide o hustotu API, znázornenú na obrázku 2, najnižšia hodnota sa zaznamenala v prípade čistého HFO 380, čo odráža jeho relatívne vysokú hustotu. Keď sa HFO zmieša pomocou kavitácie, hmotnosť API sa mierne zvýši, čo naznačuje mierne zníženie hustoty. Výraznejší účinok sa prejavuje pri pridaní 20 % bionafty ručným miešaním, keďže bionafta má podstatne nižšiu hustotu ako HFO, čo vedie k výraznému zvýšeniu hmotnosti API. Najvyššia hmotnosť API sa dosiahne pri HFO s obsahom 20 % bionafty upravenej kavitáciou. V tomto prípade je rozdiel medzi ručným miešaním a miešaním pomocou kavitácie relatívne malý, ale proces kavitácie stále poskytuje dodatočné zlepšenie hmotnosti API nad rámec účinku samotnej bionafty.
Obrázok 2: Hmotnosť API pre skúmané zmesi palív
- Viskozita: Obrázok 3 predstavuje podobný trend pre kinematickú viskozitu, pričom zdôrazňuje rozdiely medzi HFO 380 a jeho zmesami s bionaftou a glycerínom. Je pozoruhodné, že HFO s 20 % bionafty upravenej kavitáciou dosahuje až 19 % zníženie viskozity v porovnaní s ručným miešaním. Z praktického hľadiska možno toto zníženie viskozity a hustoty pripísať dvojitému pôsobeniu kavitácie - jej intenzívnej schopnosti miešať, ktorá účinne mieša palivá rôzneho pôvodu, a jej silnému homogenizačnému účinku, ktorý stabilizuje zmes a zlepšuje jej reologické a spaľovacie vlastnosti. Tieto mechanizmy spoločne uľahčujú čerpanie, znižujú potrebu energie na predhrievanie približne o 6 % a zlepšujú atomizáciu paliva, čím zvyšujú účinnosť spaľovania a znižujú tvorbu sadzí a nespálených uhľovodíkov.
Obrázok 3: Kinematická viskozita palivovej zmesi v závislosti od teploty
3.2 Chemické vlastnosti a modernizácia paliva
- Zníženie obsahu síry: Keďže bionafta a glycerín neobsahujú síru, na obrázku 4 je znázornené očakávané zníženie obsahu síry medzi čistým HFO a jeho zmesami s bionaftou a glycerínom. Čiastočná chemická aktivácia vyvolaná kavitáciou - najmä pri glyceríne, ktorý pôsobí ako nosič kyslíka - môže vysvetliť ďalšie pozorované zníženie: približne 1,5 % medzi ručne miešanými palivami a palivami HFO-20 % bionafty ošetrenými kavitáciou a približne 19 % medzi zmesami HFO-20 % bionafty a HFO-20 % bionafty-5 % glycerínu ošetrenými kavitáciou. To dokazuje, že kavitácia poskytuje nielen výkonné miešanie rôznych typov palív a silnú homogenizáciu, ale pomáha aj pri zušľachťovaní palív, pričom podporuje miernu nastaviteľnú chemickú modifikáciu zložiek paliva in situ.
Obrázok 4: Obsah síry v skúmanej zmesi palív
- Kovové kontaminanty (Cat Fines): Obrázok 5 ukazuje, že zvýšená fyzikálna disperzia a čiastočné chemické premeny vyvolané kavitáciou môžu vysvetliť pozorované zníženie obsahu Cat Fines - mikroskopických častíc vyhoreného katalyzátora, ktoré sa skladajú najmä z oxidov kremíka a hliníka a sú bežne prítomné v zvyškových palivách, ako je ťažký vykurovací olej (HFO). Medzi ručne miešanými a kavitačne miešanými palivami bol pozorovaný pokles až o 33 % a medzi neupraveným HFO a HFO obsahujúcim 10 % bionafty a 5 % glycerínu po kavitačnej úprave až o 50 %. Toto zníženie naznačuje, že kavitácia podporuje jemnejšiu disperziu a pravdepodobne čiastočnú modifikáciu povrchu alebo fragmentáciu týchto zvyškov katalyzátora, čo vedie k lepšej homogenite paliva a potenciálne nižšiemu riziku abrazívneho opotrebenia v systémoch na manipuláciu s palivom.
Obrázok 5: Obsah vanádu, kremíka a hliníka v skúmaných palivových zmesiach
- Výhrevnosť: Keďže výhrevnosť HFO je vyššia ako výhrevnosť bionafty a glycerínu, pridanie bionafty a glycerínu vedie k zníženiu čistej výhrevnosti. Čiastočné zvýšenie reaktivity paliva prostredníctvom kavitačnej úpravy by mohlo vysvetliť ďalší pokles o približne 0,2 % pozorovaný medzi ručne miešanými palivami a palivami miešanými kavitačnou úpravou, ako je znázornené na obrázku 6. Tento mierny pokles je v praxi kompenzovaný lepšou účinnosťou spaľovania, čistejším spaľovaním a stabilnejším správaním pri zapaľovaní - to všetko je prospešné pre výkon lodných motorov a reguláciu emisií.
Obrázok 6: Skúmaná čistá výhrevnosť zmesi palív
- Bod vzplanutia: Keďže bod vzplanutia HFO je výrazne nižší ako bod vzplanutia bionafty, prídavok bionafty zvyšuje bod vzplanutia zmesi. Intenzívna homogenizácia dosiahnutá kavitačnou úpravou však vedie k výraznému zníženiu bodu vzplanutia o približne 20 % v porovnaní s ručne miešaným palivom, ako je znázornené na obrázku 7. Toto zníženie odráža rovnomernejšie rozloženie ľahších frakcií v zmesi, čo môže uľahčiť manipuláciu s palivom a odparovanie počas štartu motora bez toho, aby sa znížili bezpečnostné rezervy pri tankovaní.
Obrázok 7: Bod vzplanutia pre skúmanú zmes palív
- Bod tuhnutia: Keďže teplota tuhnutia HFO je výrazne vyššia ako teplota tuhnutia bionafty, pridaním bionafty sa teplota tuhnutia zníži, čím sa zlepšia nízkoteplotné tokové vlastnosti a znížia sa požiadavky na predhrievanie počas prečerpávania a vstrekovania. V porovnaní s ručne miešaným palivom sa nepozoroval žiadny výrazný vplyv kavitačnej úpravy na bod tuhnutia (obrázok 8), čo naznačuje, že kavitácia ovplyvňuje predovšetkým mikroštruktúru a reaktivitu, a nie objemové fázové prechody.
Obrázok 8: Teplota tuhnutia skúmanej zmesi palív
3.3 Sedimenty, popol a uhlíkový zvyšok
- Sedimentácia: Zníženie celkového množstva existujúcich sedimentov (TSE) približne o 33 % pozorované pri miešaní HFO s bionaftou (obrázok 9) sa pripisuje najmä amfifilnej povahe bionafty, ktorá stabilizuje asfaltény prostredníctvom polárnych interakcií a zlepšuje homogenitu a viskozitu paliva, čím zabraňuje agregácii a sedimentácii. Ďalšie zníženie TSE o približne 33 % sa dosiahlo prostredníctvom homogenizácie zmesi HFO a bionafty založenej na kavitácii v porovnaní s ručným miešaním.
Obrázok 9: Celková existencia sedimentov (% hmotnosti) pre skúmanú zmes palív
- Výrazné zníženie celkového sedimentačného potenciálu (TSP) približne o 60 % pozorované pri miešaní HFO s bionaftou (obrázok 10) sa tiež pripisuje najmä amfifilnej povahe bionafty, ktorá stabilizuje asfaltény prostredníctvom polárnych interakcií a zlepšuje rovnomernosť paliva a jeho tokové vlastnosti, čím minimalizuje agregáciu a tvorbu sedimentov. Ďalšie zníženie TSP o približne 25 % sa dosiahne prostredníctvom homogenizácie zmesi HFO a bionafty na báze kavitácie v porovnaní s ručným miešaním.
Obrázok 10: Celkový sedimentačný potenciál (% hmotnosti) pre skúmané zmesi palív
Toto podstatné zlepšenie naznačuje výrazne vyššiu stabilitu paliva a výrazne nižšie riziko tvorby kalov počas skladovania a prevádzky motora. Vieme, že tvorba kalov pri tankovaní na lodiach zostáva pretrvávajúcou prevádzkovou a regulačnou výzvou so značnými ekonomickými dôsledkami.
Miera tvorby kalu totiž závisí od rôznych faktorov vrátane zloženia paliva, podmienok skladovania a manipulačných postupov. Prevádzkové skúsenosti a usmernenia IMO naznačujú, že tvorba kalov počas čistenia a skladovania paliva sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí 1 - 3 % objemu spotrebovaného HFO, hoci sa to týka zvyškov zo separátorov/zásobníkov a nemalo by sa to priamo stotožňovať so špecifikáciou ISO 8217 pre sedimenty.
Pre plavidlo skladujúce 1 000 ton HFO 380:
| Scenár | Hmotnosť kalu (t) | Objem slimáka m³ | Strata nákladov na palivo @ 500 USD/t |
|---|---|---|---|
| Nízky odhad (1 % obj.) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Vysoký odhad (3 % obj.) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Tabuľka 2. Ekonomický vplyv tvorby kalu z HFO 380
Pre plavidlo, ktoré spotrebuje 20 000 t HFO ročne, to zodpovedá úspore paliva približne 20 - 200 t ročne alebo približne 10 000 - 100 000 USD ročne (na základe referenčnej ceny 500 USD/t). Vyššie ceny paliva alebo väčšia spotreba by tieto úspory úmerne zvýšili.
Je potrebné poznamenať, že tieto odhady zohľadňujú len priamu stratu hodnoty paliva. V praxi sú náklady na nakladanie s kalmi často vyššie v dôsledku povinnej likvidácie podľa prílohy I k dohovoru MARPOL, prístavných poplatkov za príjem a požiadaviek na manipuláciu s kalmi, ktoré môžu výrazne prekročiť jednoduché náklady na stratené palivo.
Kombináciou systematického riadenia paliva s pokročilou homogenizáciou na báze kavitácie môžu prevádzkovatelia:
- udržiavať dlhodobú stabilitu paliva
- znížiť náklady na údržbu, prestoje a likvidáciu
- Zlepšiť využitie paliva, spoľahlivosť motora a bezpečnosť prevádzky.
- zabezpečiť súlad s prílohou I k dohovoru MARPOL a zároveň znížiť environmentálne riziká
- Zvyšky popola a uhlíka: Keďže bionafta neobsahuje popol, na obrázku 11 je znázornený očakávaný pokles obsahu popola pri jej zmiešaní s čistým HFO. Kavitácia tento účinok ďalej zvyšuje tým, že podporuje jemnejšiu disperziu a čiastočnú fragmentáciu povrchu častíc popola, čo vedie k ďalšiemu zníženiu obsahu popola v zmesi HFO a bionafty približne o 4 %. Nižší obsah popola prispieva k čistejšiemu skladovaniu a manipulácii, znižuje zanášanie potrubí a nádrží počas tankovania a podporuje účinnejšie spaľovanie s nižšou tvorbou pevných častíc v motoroch.
Obrázok 11: Obsah popola (% hmotnosti) pre skúmanú zmes palív.
Zníženie obsahu zvyškového uhlíka z čistého HFO na HFO-20 % bionafty, znázornené na obrázku 12, je spôsobené najmä tým, že sa tam ťažké aromatické uhľovodíky nahrádzajú ľahšími estermi kyslíkatých mastných kyselín bionafty. Ďalšie zníženie pozorované v prípade zmesi HFO-10 % bionafty a 5 % glycerínu vyplýva zo zloženia glycerínu bohatého na kyslík, ktorý podporuje úplnejší tepelný rozklad a obmedzuje tvorbu žiaruvzdorných zvyškov. Mierny nárast zvyškov uhlíka o približne 3 % pri kavitačnom spracovaní HFO-20 % bionafty sa pripisuje zvýšenej aktivácii tepelného rozkladu vyvolanej intenzívnym miešaním, ktoré vzniká počas kavitácie v porovnaní s ručným miešaním. Tieto úpravy zlepšujú účinnosť spaľovania, znižujú tvorbu sadzí a usadenín v motoroch a uľahčujú hladšiu manipuláciu s palivom počas tankovania a skladovania.
Obrázok 12: Zvyšky uhlíka (% hmotnosti) pre skúmanú zmes palív.
3.4 Spaľovanie a výkon motora
Zmesi HFO-FAME vyrobené pomocou kavitácie sa testovali a hodnotili z hľadiska výkonu v štvortaktnom lodnom dieselovom motore v porovnaní s konvenčne (hrubo) vyrobenými zmesami HFO-FAME. Výskumy sa uskutočnili na kompletnej skúšobnej stolici motora, ktorú poskytla spoločnosť FVTR GmbH, na základe motora Caterpillar MaK 6M20. V nasledujúcich bodoch sú zhrnuté hlavné výstupy testu:
- Viskozita a predhrievanie: Znížená teplota vstrekovania (>6 K) znížila potrebu energie na predhrievanie
- Načasovanie spaľovania: Mierne skorší začiatok a koniec spaľovania, mierne kratšie trvanie, čo viedlo k malej úspore paliva (~1 %) a mierne vyšším NOx v dôsledku obsahu kyslíka
- Emisie: CO, CO₂, HC, O₂ a FSN zostali podobné ako pri ručne miešanom palive; neboli pozorované žiadne prevádzkové problémy. Jej nižšia viskozita znižuje požiadavky na energiu na predhrievanie, uľahčuje vstrekovanie a prispieva k miernemu zvýšeniu spotreby paliva. Spaľovanie zostáva stabilné a spoľahlivé, pričom emisie sú do značnej miery porovnateľné s konvenčnými zmesami, okrem očakávaného malého zvýšenia NOx v dôsledku vyššieho obsahu kyslíka. Tieto výsledky naznačujú, že miešanie založené na kavitácii nielen zlepšuje reologické a spaľovacie vlastnosti palív HFO-FAME, ale podporuje aj bezpečnejšie, účinnejšie a spoľahlivejšie tankovanie a výkon motorov v praktických námorných aplikáciách.
3.5. Zhrnutie zlepšenia paliva a spaľovania - "Zisk výkonnosti vďaka technológii CaviFlow®"
V tejto fáze možno celkové účinky kavitačnej úpravy RAPTECH na vlastnosti paliva, výkonnosť spaľovania a prevádzkovú účinnosť zhrnúť takto. Údaje potvrdzujú merateľné fyzikálne, chemické a ekonomické výhody kavitačne upravených palív v porovnaní s konvenčne zmiešanými palivami.
| Parameter | Zlepšenie | Účinok |
|---|---|---|
| Viskozita pri 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Jednoduchšie čerpanie, nižšia potreba energie na predohrev |
| Špecifická spotreba palivového oleja (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Zvýšená účinnosť spaľovania, mierna úspora paliva |
| Tvorba kalu (typicky 1-3 % obj.) | ↓ ≈ 99 % (prakticky vylúčené) | Čistejšie filtre, žiadne preťaženie separátora, stabilná a nepretržitá prevádzka |
| Celková účinnosť pomeru paliva a výkonu | ↑ ≈ 4 % (úspora paliva) | Ekvivalent ≈ 1,2 t/deň pre tanker s nosnosťou 50 000 DWT |
| Prevádzka motora | Stabilné spaľovanie s minimálnym nárastom NOₓ | Spoľahlivý a konzistentný výkon |
| Vplyv na životné prostredie | Nižší obsah sedimentov, popola a síry | Čistejšie spaľovanie, jednoduchšie dodržiavanie noriem IMO/MARPOL |
Tabuľka 3. Kľúčové zisky z výkonnosti s kavitačnou úpravou CaviFlow®
| Úsporná oblasť | Ročný vplyv (€) | Základ / vysvetlenie |
|---|---|---|
| Úspora paliva (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4 % nákladov na palivo |
| EU ETS / Úspora CO₂ | € 108 000 - 110 000 | 1,548 t × 70 EUR (odhad) / t CO₂ |
| Dodržiavanie predpisov a charta Premium | € 50 000 - 200 000 | Lepšie sadzby za prenájom |
| Prevádzková efektívnosť a údržba | € 20 000 - 40 000 | Čistejšie spaľovanie → menšie opotrebovanie motora |
| Čistička / ohrievač Úspora energie | € 5 000 - 10 000 | Nižšia viskozita → menšie zaťaženie |
| Celková potenciálna úspora | ≈ 380 000 - 600 000 EUR na loď/rok | Bez zmien cien pohonných hmôt |
Tabuľka 4. Odhadovaný ročný ekonomický vplyv optimalizácie paliva na základe kavitácie
Za predpokladu prípadového scenára tankera s 50 000 DWT, ktorý pracuje so zložkou FAME približne 20 %, dochádza pri zohľadnení prínosov účinnosti kavitačnej technológie RAPTECH k zníženiu čistého emisného faktora CO₂ z 3,114 t CO₂/t paliva pre čistý HFO na 2,856 t CO₂/t paliva. To zodpovedá celkovej úspore CO₂ približne 1,548 t ročne, čo účinne zvyšuje hodnotenie CII plavidla z C na B. Odhadovaný hospodársky a environmentálny vplyv týchto zlepšení je zhrnutý v tabuľke 4, ktorá zdôrazňuje kombinované výhody z hľadiska energetickej účinnosti, zníženia emisií a úspory prevádzkových nákladov.
Tieto konsolidované zlepšenia potvrdzujú, že kavitačná úprava účinne zvyšuje celkovú výkonnosť zmesných lodných palív - zlepšuje energetickú účinnosť, prevádzkovú spoľahlivosť a dodržiavanie environmentálnych predpisov.
4. Záver
Homogenizácia s asistenciou kavitácie vykazuje jasný potenciál na zlepšenie fyzikálnych aj chemických vlastností zmesných palív - v tejto štúdii zmesí HFO, bionafty a glycerínu.
Medzi hlavné pozorované výhody patria:
- Zlepšené miešanie a rovnomernosť vrátane účinnej disperzie kalov a zvyškovej vody, čo vedie k zníženiu viskozity a ľahšej manipulácii s palivom.
- čiastočná (nastaviteľná) chemická aktivácia in situ, ktorá vedie k merateľnému zníženiu obsahu síry, popola a kovových kontaminantov, ako aj k nižšej tvorbe usadenín
- Stabilné správanie pri spaľovaní s miernou úsporou paliva (~1 %) a len malým zvýšením NOₓ v dôsledku vyššieho obsahu kyslíka
- Znížené požiadavky na prevádzku a údržbu vrátane energie na predhrievanie a riadenie kalov
Tieto zistenia dokazujú, že kavitačná homogenizácia môže slúžiť ako škálovateľný, energeticky efektívny a environmentálne kompatibilný proces na modernizáciu a stabilizáciu zmesných lodných palív. Pokračujúci výskum mechanizmov chemickej modifikácie vyvolanej kavitáciou a dlhodobej výkonnosti motorov ďalej podporí jej integráciu do udržateľných systémov tankovania a úpravy paliva.
Autori: Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencie
1. Medzinárodná námorná organizácia (IMO). Nariadenie IMO o hornej hranici obsahu síry na rok 2020. IMO, Londýn, 2020.
2. ISO 8217:2017. Špecifikácie lodných palív. medzinárodná organizácia pre normalizáciu, Ženeva, 2017.
3. EN 14214. Metylestery mastných kyselín (FAME) pre palivá na výrobu bionafty - Požiadavky a skúšobné metódy. Európsky výbor pre normalizáciu, Brusel, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology (Kavitačná technológia miešania): Technická brožúra. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Správa o úplnej skúške motora - CaterpillarMaK 6M20, zmesi HFO, bionafty a glycerínu. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energetické palivá,2020, 34, 987-998.
