Duurzame technologie voor de vermindering van mariene verontreiniging
Het vervoer van grote hoeveelheden vracht vereist veel energie, wat jaarlijks naar schatting 1,06 miljard ton CO2-uitstoot veroorzaakt – ongeveer 2,89% van de wereldwijde CO2-uitstoot en 15-20% van de wereldwijde NOx- en SOx-uitstoot [V1]. De meeste huidige schepen worden aangedreven door dieselmotoren, die broeikasgassen en/of schadelijke gassen uitstoten, zoals CO2, CO, NOx, vluchtige organische stoffen (VOS), SOx en fijnstof (bijv. roet) [V2]. In 2018 heeft de Internationale Maritieme Organisatie (IMO) een strategie geïmplementeerd om de uitstoot van broeikasgassen door de internationale scheepvaart te verminderen, met als doel een vermindering van 40% van de CO2-uitstoot tegen 2030 en een vermindering van 50% van de totale uitstoot van broeikasgassen tegen 2050 (ten opzichte van 2008). Dit heeft de scheepvaartindustrie onder druk gezet om te innoveren om deze doelstellingen te halen. Hoewel alternatieve energiedragers (bijv. methanol, H2 en NH3) worden onderzocht [V3], zijn deze nog niet op grote schaal inzetbaar [V4] en blijven er zorgen bestaan over hun milieu-impact, toeleveringsketen en duurzaamheid [V5]. Bovendien lopen dieselschepen die vanaf 2019 worden gebouwd, met een verwachte levensduur van ~30 jaar, het risico dat ze niet aan de doelstellingen voor 2050 zullen voldoen.
Daarom ligt de focus op het toepassen van overgangstechnologieën om de verbrandingsefficiëntie en operationele efficiëntie te verbeteren en geavanceerde uitlaatgasbehandelingssystemen in te voeren om de uitstoot van schadelijke gassen te verminderen. In 2018 was de uitstoot van broeikasgassen door de internationale scheepvaart al met 22% gedaald, deels dankzij energiebesparende maatregelen zoals “slow steaming” en beperking van het motorvermogen – maatregelen die het brandstofverbruik en de uitstoot verminderen [V3]. Het werken met een lager vermogen creëert echter een nieuwe uitdaging, omdat het de eigenschappen, samenstelling en temperatuur van de uitlaatgassen verandert en de gemiddelde NOx-uitstoot kan verhogen, ondanks het lagere brandstofverbruik en de lagere CO2-uitstoot [V4, V13]. Dit maakt de ontwikkeling van innovatieve uitlaatgasbehandelingen noodzakelijk, afgestemd op de gewijzigde uitlaatgasomstandigheden wanneer energiebesparende maatregelen worden toegepast. Bovendien veranderen ook dual-fuel-systemen – zoals de toevoeging van groene methanol – de uitlaateigenschappen, waardoor de ontwikkeling van innovatieve, aangepaste uitlaatgasbehandelingssystemen nog noodzakelijker wordt.
Daarom is het doel van het SMART-project om de uitlaatgasbehandelingssystemen aan te passen aan zowel de CO2-beperkende maatregelen, zoals variabele belasting en slow steaming van de motor, als dual-fuel-systemen, waardoor de wereldwijde voetafdruk en broeikasgasemissies van de internationale scheepvaart verder worden verminderd met het oog op de doelstelling voor 2050.
Om deze uitdagingen aan te pakken, hanteert SMART een geïntegreerde aanpak om emissiereducties te maximaliseren door:
1) operationele maatregelen en dual-fuel-systemen op motorniveau te implementeren, terwijl
2) innovatieve, verbeterde uitlaatgasbehandelingskatalysatoren worden ontwikkeld die zijn aangepast aan de gewijzigde uitlaatgaseigenschappen, samenstellingen en temperaturen van deze duurzame motorwerking en dual-fuel-systemen.
Het SMART-project stelt daarom vier belangrijke onderzoeksdoelstellingen voorop:
1) Het opstellen van een benchmarkmatrix voor het meten van de uitlaatgaseigenschappen, -samenstelling en -temperaturen als functie van de motorbelasting (10-100%) en de werking van dual-fuel (diesel-methanol) om een database te creëren van uitlaateigenschappen, -samenstelling en -temperaturen in verband met emissiereductie op motorniveau (WP1).
2) Innovatieve technologieën voor het vormgeven van katalysatoren en hun voordelen ten opzichte van de huidige stand van de techniek zullen worden gevalideerd met als doel de drukval en het geluidsniveau te verminderen, druk- en thermische gradiënten bij wisselende belastingen op te vangen, terwijl de prestaties en stabiliteit van de katalysator worden verbeterd en de benodigde katalysatorvolumes worden verminderd. Om de meest optimale geometrieën (vormen) te ontwerpen, zal een combinatie van modellering en experimentele validatie worden gevolgd (WP2).
3) Ontwikkeling van innovatieve platinagroepmetaal (PGM)-vrije Cu-gebaseerde katalysatoren met lagere light-off-temperaturen in vergelijking met de huidige stand van de techniek, die in staat zijn om CO en koolwaterstoffen te oxideren en NOx direct te reduceren (directe deNOx), waardoor de noodzaak van reductiemiddelen (zoals ammoniak of ureum) wordt vermeden, en die zijn aangepast aan variabele belasting, langzaam varen en dual-fuel-configuraties. Om dit te bereiken, zullen bi- of multimetalen katalysatorsamenstellingen worden gebruikt in combinatie met synthetische benaderingen die sterk verspreide metaalsoorten en een sterke interactie tussen metaal en drager mogelijk maken. Het iteratieve ontwerp wordt gestuurd door de resultaten en input van de adviesraad (AB) (WP3).
4) Evalueer deze innovatieve en gevormde katalysatoren die zijn aangepast aan scheepsmotoren in een echte scheepsmotorlaboratoriumopstelling, waarbij de realtime prestaties van de katalysator worden geëvalueerd op een scheepsmotor die bij verschillende motorbelastingen en met dual-fuel-systemen wordt gebruikt, met als doel de scheepsemissies verder te verminderen dan de huidige 22% (WP4).
Geert Potters
