Alfa Laval - Der Alltag – Cat Fines und Motorverschleiß, Teil 1

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Der Alltag – Cat Fines und Motorverschleiß, Teil 1

Als Unternehmen sind wir es gewohnt, in großen Dimensionen zu denken. Schiffe transportieren die Produkte der Landwirte, Fabriken und Minen der Welt in jedes Land mit einem Hafen. Stürme, die aus dem Weltraum zu sehen sind, Wellen, so hoch wie Hochhäuser – das alles gehört zum Tagesgeschäft. Eine der größten Herausforderungen für die Branche stellen jedoch einige der kleinsten Dinge dar. Und die Gefahr, die sie für den sicheren Betrieb der weltweiten Flotte darstellen, kann erheblich zunehmen.

Ein neues Regulierungssystem, das Anfang 2020 in Kraft tritt, wird die Vielfalt und Verfügbarkeit von Schiffskraftstoffen auf der ganzen Welt grundlegend verändern. Für Schiffsbetreiber erfordert der zuverlässige und sichere Betrieb von Motoren zwangsläufig ein größeres Verständnis und ausgefeiltere Strategien im Umgang mit Kraftstoff als heute. Das Ausmaß der bevorstehenden Herausforderung ist selbst jetzt noch nicht genau vorherzusagen. Der Erfolg der Schiffsbetreiber, mögliche Probleme zu vermeiden, wird weitgehend von den Maßnahmen abhängen, die sie in den kommenden Monaten ergreifen.

Kraftstoffe im Fluss

Am 1. Januar 2020 tritt die globale Schifffahrtsbranche in das schwefelarme Zeitalter ein. Dies wird der größte regulatorische Umbruch der Branche seit den Konventionen von MARPOL 73/78 sein und eine der größten operativen Veränderungen, denen sie je ausgesetzt war. Ab diesem Tag muss die gesamte Schifffahrt den strengen Grenzwert von 0,50 Massenprozent der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO) für Schwefel in Kraftstoffen einhalten.

Der Grenzwert von 0,50 Prozent liegt deutlich unter dem aktuellen, 2012 eingeführten Grenzwert von 3,50 Prozent und gilt zusätzlich zu dem Grenzwert von 0,10 Prozent in Emissionskontrollbereichen (ECA). Während die IMO den neuen Grenzwert zu Recht als einen Sieg für die Umwelt und die Gesundheit der Menschen bezeichnet, wird sie für die Schifffahrtsindustrie zu einem schwerwiegenden Problem. Unglücklicherweise bringt das Beseitigen einer Umweltbelastung eine mechanische Belastung mit sich, nämlich Cat Fines (feinkörnige Katalysatoren). Dabei handelt es sich um winzige Partikel, die, wenn sie nicht abgefangen werden, verheerende Schäden an Motoren anrichten können.

Schiffskraftstoff war noch nie eine glamouröse Substanz. Ausgehend von Rohöl destillieren und extrahieren die Raffinerien hochwertige Produkte oben an der Destillierkolonne. Gas, Benzin, Flugkraftstoff, Diesel, Schmieröle und der übrige Rest, ein dicker schwarzer Rückstand werden zum Antrieb von Schiffen und zur Herstellung von Bitumen verwendet. Sie sind nicht schön, haben aber buchstäblich dazu beigetragen, die moderne Welt zu schaffen.

Das Problem mit Schwefel

Wenn Motoren fossile Brennstoffe verbrennen, setzen sie Schwefeloxide (SOx) frei, die in der Atmosphäre zu einer Reihe von Gesundheits- und Umweltproblemen beitragen, beispielsweise Atemwegserkrankungen bei Menschen und Tieren sowie der Versauerung von Böden und Gewässern.

Schwefel kommt natürlicherweise in allen Rohölen vor und wird in den am höchsten siedenden Restfraktionen des Destillationsprozesses in höheren Konzentrationen gefunden. Dies bedeutet, dass ab Anfang 2020 die Kraftstoffproduktion umgestellt werden muss, um den Schwefel besser zu handhaben. Die Kraftstoffauswahl durch die Schiffsbetreiber ist komplexer denn je.

Schiffe, die mit Flüssigerdgas (LNG) betrieben werden, werden keine Probleme haben, die Richtlinien einzuhalten. LNG-Schiffe machen jedoch nur einen kleinen Bruchteil der weltweiten Flotte aus und dies wird aufgrund hoher Investitionskosten und mangelnder Versorgungsinfrastruktur voraussichtlich über Jahrzehnte hinweg so bleiben. Viele andere Schiffe werden weiterhin Schweröl mit hohem Schwefelgehalt (HSFO) verbrennen und sich auf die Gaswäschetechnologie verlassen, um ihre Abgase auf ein konformes Maß zu reinigen. Für den Großteil der Flotte bedeutet 2020 und darüber hinaus die Auswahl aus einer wachsenden Palette von schwefelarmen Destillaten, Mischungen und, in geringerem Umfang, neuen Kraftstoffen aus Pflanzenölen.

2020 verändert alles

Jede neue Art von Kraftstoff wird eine Reihe von zu berücksichtigenden betrieblichen und wirtschaftlichen Variablen mit sich bringen. Die Erforschung all dieser Variablen ist Thema eines gesonderten Artikels, obwohl es erwähnenswert ist, dass Viskositäts-, Schmier- und Temperaturschwankungen erhebliche Auswirkungen auf den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Motoren, Pumpen und anderen Geräten haben.

Cat Fines

Von allen Variablen der Ära mit niedrigem Schwefelgehalt sind die potentiell schädlichsten möglicherweise die Cat Fines. Obwohl diese in der Schifffahrt seit langem bekannt, aber kontrollierbar sind, werden sie durch die bevorstehende schwefelarme Ära zu einem wachsenden Risikofaktor für Schiffsmotoren und das Budget der Schiffsbetreiber.

Wie entstehen Cat Fines?

Moderne Raffinerien verwenden zunächst die atmosphärische und Vakuumdestillation, um die meisten flüchtigen, höherwertigen Produkte oben von der Destillationskolonne zu entfernen. Sie brechen dann das restliche Rohöl durch thermische und katalytische Prozesse in seine verschiedenen Fraktionen auf. Beim katalytischen Cracken fügt die Raffinerie physikalische Katalysatoren hinzu, um die Ölmoleküle aufzubrechen.

Die verwendeten Katalysatoren sind verschiedene Formen synthetischer kristalliner Zeolithe, mineralische Verbindungen von Aluminium und Silizium, die hochporös und extrem hart sind.

Katalysatoren sind teuer. Raffinerien gewinnen zurück und verwenden erneut, was sie können. Ab einem bestimmten Punkt ist es jedoch nicht mehr praktikabel und es besteht kein wirtschaftlicher Anreiz mehr, dass sich die Raffinerie noch stärker darum bemüht. Cat Fines bleiben zurück. Sie verbleiben im Bunkerkraftstoff. Und sie werden in Ihre Schiffe gepumpt.

Festlegen von Kraftstoffstandards

Schiffskraftstoffspezifikationen werden durch die internationale Norm ISO 8217 festgelegt, die die Konzentration von Feinpartikeln in Bunkerkraftstoffen begrenzt. Kraftstoff, der unter der aktuellen Version der Norm produziert wird, ist auf 60 ppm begrenzt. Diese Grenze ist grundsätzlich ein Kompromiss – wäre sie niedriger, könnte das weltweite Angebot an Bunkeröl nicht mehr gesichert werden. Aber selbst bei 60 ppm stellen Cat Fines ein großes Problem für Motoren dar. Hersteller wie MAN und Wärtsilä empfehlen, dass der den Motoren zugeführte Kraftstoff Feinpartikelkonzentrationen von 15 ppm oder weniger aufweisen sollte.

Cat Fines - was macht die so gefährlich

Cat Fines haben eine unregelmäßige Form und variieren im Bunkerkraftstoff von Größen im Submikronbereich bis etwa 100 μm – grob gesagt von der Größe eines Staubkorns bis hin zur Breite eines menschlichen Haares. Ihre Dichte variiert ebenfalls, ist aber im Allgemeinen etwas höher als die von Schweröl (HFO). Größere Cat Fines setzen sich in Öl ab, kleine Partikel mit geringer Dichte dagegen nicht.

Von allen physikalischen Eigenschaften ist jedoch die Härte das größte Problem für Schiffe. Cat Fines sind extrem hart – bis zu 8,2 auf der Mohs-Skala, auf der Diamant den Wert 10 hat – und können Stahloberflächen leicht zerkratzen und in sie eingeschlossen werden.

Wenn Cat Fines durch einen Injektor gelangen, können sie zwischen Zylinderauskleidung und Kolbenring hängen bleiben, einem Spalt von etwa 3-5 µm. Alle Partikel, die größer sind, können Abrieb verursachen. Bei jedem Hub des Kolbens werden die Cat Fines an den glatten Oberflächen gemahlen, wodurch sich im Laufe der Zeit Spuren bilden. Kraftstoffpumpen, Injektoren, Ventile und andere Komponenten sind ebenfalls gefährdet. Und selbst die kleineren Partikel können erheblichen Schaden anrichten.

Es ist verlockend, diese Art von abrasivem Schaden als normale mechanische Abnutzung zu betrachten. Und in vielen Fällen kann dies auch alles sein. Cat Fines in hohen Konzentrationen können jedoch in bemerkenswert kurzer Zeit schwere, katastrophale Schäden verursachen.

Ein online verfügbarer Bericht beschreibt einen Fall, bei dem ein Motor in nur 100 Betriebsstunden lahmgelegt wurde. Als der Motor demontiert wurde, stellten die Ingenieure fest, dass alle Kolben und Laufbuchsen komplett zerstört waren und ausgetauscht werden mussten.

Es versteht sich von selbst, dass ein Schaden dieser Art extrem teuer ist. Die Schadensmeldungen variieren zwischen 300.000 und 1,5 Millionen USD. Dies wiederum macht Cat Fines nicht nur zu einem Problem für die Betreiber, sondern zu einem großen Problem für den Versicherungsmarkt.

Ein schlafendes Problem, das gerade geweckt wird

Cat Fines sind kein neues Problem. Das katalytische Cracken hat sich in den 70er Jahren weit verbreitet, als die steigenden Ölpreise die Raffinerieunternehmen gezwungen haben, aus ihrem Rohöl wertvollere Produkte zu gewinnen. In den 1980er Jahren begannen erste Berichte über Schäden durch Cat Fines. Auch wenn es eine Herausforderung darstellt, sie auf See zu entfernen, basiert die Ausrüstung an Bord zur Verringerung der Kontaminationswerte (auf die wir in Teil 2 dieses Artikels eingehen werden) auf ausgereiften, wohlbekannten Technologien.

Leider hat diese Vertrautheit zu einer gewissen Gelassenheit in der Branche geführt. Wenn sich die Kontamination nach 2020 erwartungsgemäß stärker auswirkt, könnte dies äußerst kostspielig werden.

Ein kürzlich erschienener Artikel in Marine Propulsion sollte ausreichen, um Betreiber dazu zu bringen, dem Thema neue Aufmerksamkeit zu schenken. Der Artikel zitierte eine ExxonMobil-Analyse von mehr als 400.000 Ölproben, die ergab, dass 43 % der Schiffe ein möglicherweise katastrophales Problem mit Cat Fines haben. Selbst wenn nur ein Bruchteil dieser potenziellen Probleme erkannt wird, stehen noch viel Geld, Zeit und Störungen auf dem Spiel.

Es wurde auch berichtet, dass das PrimeServ-Team von MAN in einem Zeitraum von drei Jahren festgestellt hat, dass in 190 von 226 Fällen (84 Prozent) Schäden an der Zylinderlaufbuchse mit katalytischen Feinstaubpartikeln verbunden waren.

Wie oben beschrieben, sind Cat Fines ein Nebenprodukt beim Cracking und der Schwefelentfernung. Je mehr Öl aufgebrochen und Schwefel entfernt wird, desto höher ist ihr Anteil. Paul Hill von Braemar formuliert es prägnant: „Dies ist ein grundlegender Kompromiss zwischen Motor und Umwelt. Sie können nicht wenig Schwefel und wenige Cat Fines gleichzeitig haben.

Der OPEC World Oil Outlook 2040 prognostiziert, dass zwischen 2017 und 2022 zusätzliche Cracking-Kapazitäten von 138 Millionen Tonnen pro Jahr hinzukommen werden. Wir können sicher sein, dass deutlich mehr Cat Fines in die Bunker der Welt gelangen werden.

Zusätzlich zum Problem höherer Cat Fines Anteile suggerieren einzelne Beobachtungen, dass die neuen Katalysatoren, die produziert werden, noch härtere Partikel erzeugen, die in den Kraftstoff gelangen. Und als ob das nicht schon schlimm genug wäre, weisen schwefelarme Kraftstoffe noch dazu eine geringere Schmierfähigkeit als Schweröle auf, was bedeutet, dass der Abrieb noch verstärkt wird.

Ein Nebeneffekt der aktuellen Schwefelgrenzwerte ist, dass die Anteile von Cat Fines – und die damit verbundenen Schäden – deutlich gestiegen sind. Die Einhaltung der Vorschriften bis 2020 könnte das Problem auf eine völlig neues Stufe heben. Der Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service (FOBAS) von Lloyd's Register überwacht die Bunkerqualität in Häfen auf der ganzen Welt und gibt bei Problemen Warnmeldungen aus. Die Betreiber müssen natürlich ein besonderes Augenmerk auf diesen und andere Berichte richten. Es muss allerdings angemerkt werden, dass Schäden auch auftreten können, wenn der Kraftstoff den Vorschriften der ISO 8217 vollständig entspricht.

All dies führt dazu, dass ein altes Problem neue Dimensionen annimmt. In Teil 2 unserer Diskussion werden wir uns die Lösungen ansehen und besprechen, wie die Betreiber ihre Anstrengungen intensivieren oder erhebliche Kosten in Kauf nehmen müssen.

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Lösungen im Rückblick

 

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