Achtergrond

Methanol voor scheepvaart ideale brandstof op lange termijn

Tijdens zijn presentatie op de LeanShips Conference in Rotterdam nam Sebastian Verhelst, hoofddocent Verbrandingsmotoren aan de universiteiten van Gent en Lund, geen blad voor de mond. “Methanol is een fantastische brandstof.” Bij het beoordelen van het toekomstpotentieel van alternatieve brandstoffen hanteert Verhelst drie criteria: is de productie duurzaam, is de oplossing schaalbaar en kun je de brandstof makkelijk opslaan? “Door veel aandacht te besteden aan de lange-termijnoefening, voorkom je dat je initiatieven gaat steunen die op lange termijn weinig zinvol zijn.”

Verhelst is sinds 2015 betrokken bij LeanShips, het Europese innovatieprogramma waar 17,5 miljoen euro ‘Horizon 2020’-subsidie mee is gemoeid en waar 44 maritieme bedrijven uit twaalf Europese landen aan deelnamen. Op 17 april werden de resultaten van de zeven verschillende projecten gepresenteerd tijdens een conferentie op de SS Rotterdam. Verhelst was verantwoordelijk voor het project ‘The potential of methanol as alternative fuel’.

Verhelst kwam van een achtergrond in autotechniek. En juist in de automotive sector is al veel ervaring met methanol als brandstof. Begin jaren negentig liep er een grootschalig methanolprogramma in Californië. Dankzij de medewerking van tien autofabrikanten reden er meer dan 17.000 auto’s rond op een mix van methanol en benzine. “Zowel kleine als grote motoren kunnen perfect op methanol draaien”, zegt Verhelst. “In afwachting van motoren die op 100 procent methanol functioneren kun je een tussenstap inbouwen, door methanol te mengen met benzine. Op dit mengsel kunnen ook bestaande motoren perfect draaien, met een kleine aanpassing. Voor nieuwe motoren betekent dit een kleine meerprijs van pakweg 100 euro.”

Het programma in Californië, dat was opgezet om de luchtkwaliteit te verbeteren, stierf een stille dood toen men er achter kwam dat het ook mogelijk was de emissies te verlagen door de benzine zelf te modificeren. “De flexfuel voertuigen die op E85 kunnen tanken én op benzine én op elk mengsel daartussenin, komen van dit programma. Mensen denken hierbij al snel aan ethanol maar het is begonnen met methanol.” In de VS en Europa rijden op dit moment nog nauwelijks voertuigen op methanol, maar in China is dit big business. Naar schatting rijden er zo’n 500.000 taxi’s, bussen en vrachtwagens op ‘zwarte’ methanol (zwart omdat de brandstof daar wordt gemaakt van kolen, LK).

‘We hebben bewust gekozen voor dual fuel om de drempel te verlagen, ook voor scheepseigenaren’

In de scheepvaart is de belangstelling nog relatief vers. Pas sinds de introductie van de IMO Tier III-eisen is de sector serieus naar andere opties gaan kijken. Tien jaar geleden begon het ook bij Verhelst te kriebelen. “Toen stond de olieprijs een stuk hoger dan nu. Economische berekeningen leken sterk te duiden op methanol als een zeer kansrijke alternatieve schone brandstof. Dat plaatje is inmiddels wat gekanteld, omdat fossiele brandstoffen naar mijn mening nu veel te goedkoop zijn. Anderzijds is de sense of urgency een heel stuk toegenomen. Er is nu veel meer aandacht voor groene methanol.”

“Bij de start van Lean Ships keken we naar de Stena Germanica, die draait op Wärtsilä motoren met een dual fuel-systeem, waarbij één injector gelijktijdig methanol en diesel toevoert. Deze ‘pilootdiesel’ is bedoeld om de ontsteking van de methanol te vergemakkelijken. Het is een soort vloeibare bougie. Het voordeel van deze oplossing is dat je niet tegen klop-grenzen aanloopt. Het nadeel is dat je specifieke injectoren nodig hebt om de ombouw te kunnen realiseren.”

Jullie besloten om het over een andere boeg te gooien?

“We besloten ons te richten op kleinere schepen met kleinere motoren. Anders dan bij de middelsnel lopers van Wärtsilä en de tweetakters van MAN is er in snellopers geen plaats voor één injector die twee brandstoffen toevoert. Bovendien moest een retrofit mogelijk zijn, waarbij je een poortinjectie van methanol toevoegt aan de motor. Hierdoor krijg je een voorgemengd mengsel dat je tijdens de compressie ontsteekt met een fractie pilootdiesel. De fractie methanol zal hierdoor wel minder hoog zijn en de dieselfractie juist wat hoger. Motoren in de binnenvaart gaan vaak zeer lang mee, dus als je mogelijkheden biedt voor retrofit zal de impact naar verwachting groter zijn.”

Binnen welke voorwaarden zijn jullie aan het onderzoek begonnen?

“We zijn uitgegaan van een snelloper, een Volvo Penta D7C TA van 195 kW, die we hier in het labo hebben omgebouwd. Dit is een eenvoudige volledig mechanische motor, maar de ombouw was niet zo eenvoudig. De in- en uitlaat zitten aan dezelfde kant en het was een behoorlijke uitdaging om een plaatsje te vinden voor de nieuwe poortinjectoren. Maar het is gelukt. Nu we deze motor hebben kunnen ombouwen, kunnen we elke motor aan. Het doel was om vast te stellen hoeveel methanol je kan inspuiten binnen het belaste toerentalgebied van de motor. Welke energiefractie van de brandstof kan methanol uitmaken? Welke impact heeft dit op het rendement van de motor en is het maximale vermogen nog haalbaar? En uiteraard hebben we gekeken naar de gevolgen voor de emissies. We zijn nog bezig met de afronding van het meetprogramma, maar we hebben hele mooie reducties gezien in NOx. Ook de roetemissies daalden spectaculair.”

“Anders dan we hadden verwacht bereikte de motor een hoger rendement met methanol. Vooral tegen vollast aan. Bij een klassieke dieselverbranding duurt de verbranding vrij lang in deze fase. Dat betekent dat je dan al een deel van je expansie kwijt bent om de vrijgestelde energie om te zetten in nuttige arbeid. Doordat je methanol voormengt in de lucht, is de verbrandingssnelheid een stuk hoger. Je kort de verbranding in waardoor je een hoger rendement realiseert.”

Hoe stel je vast of een brandstof op lange termijn kansrijk is?

“Een jaar of tien geleden ben ik als beginnend docent gaan kijken naar de alternatieve brandstoffen van dat moment. Je kunt dan per bedrijf en per sector gaan kijken welke brandstof kansrijk is. Ik bleef echter op mijn honger zitten en wilde achterhalen welke brandstoffen op lange termijn echt zin hebben. Ik kwam toen uit op de SAS-criteria (Sustainable, Available, Scalable, LK). Je zult alternatieve brandstoffen moeten aftoetsen: zijn ze effectief duurzaam, zijn ze schaalbaar ten opzichte van de gigantische hoeveelheden fossiele brandstoffen die we nu gebruiken en zijn ze ‘stockeerbaar’. Zeker voor marine toepassingen is dat laatste ook niet onbelangrijk. Als het niet economisch rendabel is, zal je het ook nooit kunnen opschalen. Op papier kan je een schitterende oplossing bedenken, die een geweldig rendement heeft. Maar als het heel duur is gaat niemand die brandstof kopen en heb je nul impact.”

Methanol heeft totaal andere eigenschappen dan stookolie of diesel.

“Dat was ook een van de redenen waarom we voor een dual fuel-benadering hebben gekozen. We wisten van eerder onderzoek dat methanol bij uitstek geschikt is voor een vonkontsteker. Dat komt door de eigenschappen van methanol: het is klopresistent en heeft een hoge verdampingswaarde en een hoge verbrandingssnelheid. Kijk je echter naar de markt voor de scheepvaart dan zie je dat er alleen commerciële toepassingen met dieselmotoren zijn. Door uit te gaan van een methanol vonkontstekingsmotor zouden we een te hoge drempel opwerpen. Bij dual fuel kan je de diesel gebruiken om de methanol ontstoken te krijgen in een compressie ontstekingsmotor.”

Jullie willen hier ervaring mee opdoen en daarna kijken of een single fuel-oplossing haalbaar is?

“Precies. We zijn nu met een nieuw projectvoorstel bezig. Er zijn verschillende concepten om een dieselmotor zonder pilootontsteking op 100 procent methanol te laten draaien. Dit is niet eenvoudig maar het lijkt te lukken. In het labo zien we hele mooie rendementen en lage emissies. Anderzijds kun je een vonkontsteker ook toepassen buiten een klassieke benzinemotor. Ook daar zien we mooie rendementen en veel lagere emissies. Momenteel is nog niet duidelijk welk concept het meest interessant is.”

De energiedichtheid van methanol is een stuk lager dan die van diesel. Is dat een nadeel?

“Dat hangt ervan af waarmee je het vergelijkt. Als je start met diesel als brandstof betekent dit dat je 2 tot 2,5 maal zoveel volume moet stockeren voor hetzelfde bereik. Het grote voordeel van methanol is dat je het in alle hoeken van het schip kan opslaan. Soms zelfs in de ballasttanks. Doordat methanol biologisch eenvoudig afbreekbaar is, kan je het ook aan de buitenkant van het schip opslaan. De keuze voor methanol is niet evident, maar als je het vergelijkt met LNG en waterstof dan is de haalbaarheid een stuk groter.”

Reders zullen als bezwaar aanvoeren dat een schip een stuk zwaarder wordt als je een groter volume aan brandstof moet meenemen.

“Op de lange termijn moet onze brandstof uit hernieuwbare energiebronnen komen. Biobrandstof is qua energiedichtheid vergelijkbaar met diesel, maar daar loop je tegen de schaalbaarheid aan. Het gaat niet lukken voldoende grondstoffen te telen om de wereldwijde vraag naar biobrandstof af te dekken. Bovendien legt de scheepvaart het daarbij af tegen de luchtvaart, omdat daar een nog hogere energiedichtheid nodig is. Het grote voordeel van methanol is dat het vloeibaar is onder atmosferische omstandigheden. Uiteraard zou je ook naar een synthetische diesel of een synthetische HFO kunnen toewerken. Mijn visie is: hoe complexer een brandstof wordt, hoe meer omzettingsstappen je nodig hebt om tot die brandstof te komen. En des te kostbaarder en lager het rendement van dat proces wordt. De afweging is dan: heb je echt die hoge energiedichtheid nodig? Voor de scheepvaart is dit wellicht niet noodzakelijk en kan je een aantal toepassingen afdekken met een eenvoudig product als methanol.”

Uit een eerdere studie bleek dat ‘groene’ methanol kan concurreren met fossiele brandstoffen zolang er een behoorlijke subsidie wordt gegeven. Daar kan je toch geen business case op bouwen?

“Het is helemaal niet erg om nog enige tijd aangewezen te zijn op initiële subsidietrajecten om de transitie naar alternatieve brandstoffen op gang te brengen.  Maar dan is het wel belangrijk dat we heel veel aandacht hebben besteed aan de lange termijnoefening en dat we zeker weten dat we de initiatieven steunen die op lange termijn zin hebben. In plaats van geld te pompen in oplossingen waarvan je nu al weet dat je binnen afzienbare tijd toch weer tegen beperkingen gaat aanlopen.”

Aan welke vervolgstappen denken jullie?

“In een aantal vervolgstudies verwachten we nog veel grotere stappen te kunnen zetten. In ons eerste onderzoek hebben we bewust gekozen voor dual fuel om de drempel te verlagen, ook voor scheepseigenaren. Op lange termijn zien we mogelijkheden om over te schakelen op oplossingen die voor 100 procent op methanol kunnen draaien. De vraag is of dat een dieseloplossing of een vonkontsteker moet worden. Dat zijn dingen die we nog willen onderzoeken met meer demonstratieprojecten en meer onderzoekswerk. Het huidige onderzoek is vooral een smaakmaker geweest binnen het LeanShips-project.”

Meer informatie over de resultaten van het LeanShips-project is te vinden op www.leanships-project.eu

De gemodificeerde Volvo Penta D7C TA in het Labo in Gent. Foto: Sebastian Verhelst

De gemodificeerde Volvo Penta D7C TA in het Labo in Gent. Foto: Sebastian Verhelst

Deel deze pagina

Maritiem Nederland

Maritiem Nederland is een magazine, website en nieuwsbrief met alle relevante en interessante ontwikkelingen binnen het maritieme cluster. Met interviews, opmerkelijke reportages, portretten en columns.
Meer informatie over Maritiem Nederland

Damen

Abonnement

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers TW


Wilt u lid worden, een los nummer aanvragen of een adreswijziging doorgeven? Neem dan contact op met MijnTijdschrift (088-2266622). 

Of bekijk ons aanbod van abonnementen.

Ontvang de nieuwsbrief, binnenkort 2 keer per week!

Meld je nu aan!

Vision & Robotics

Vision & Robotics is hét onafhankelijke vakblad voor machinebouwers, system integrators en eindgebruikers van productielijnen in de maak- en agro-/foodindustrie. 

Graag meer lezen over onderwerpen zoals robotica, sensoren, kunstmatige intellegentie en nog veel meer klik hier

Vision & Robotics heeft ook een nieuwsbrief! klik hier om je in te schrijven.

TW online gratis voor jongeren

TW Investeert in technisch onderwijs

Leerlingen tot 18 jaar lezen gratis TW. Meld je aan en ontvang 23 online edities per jaar geheel gratis!

Naar boven