EPA Tier 4: Schwierig und umstritten, 12 Jahre und länger

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Wenn es um die Einhaltung der Tier-4-Emissionsvorschriften der EPA geht, mangelt es den amerikanischen Schiffbauunternehmen nicht an Kreativität. Unternehmen wie Hug Engineering bieten flexible, maßgeschneiderte Steuerungssysteme auf der Basis der Nachbehandlung an, die nahezu modular aufgebaut werden können. Andere Unternehmen wie die ABB-Gruppe bieten Batterie-Hybrid-Stromquellen an, um die Verbrennungskraft zu ergänzen und Grenzwerte für Dieselemissionen zu vermeiden. Motorenhersteller wie Cummins arbeiten mit Nachbehandlungslieferanten zusammen, um eine betriebliche Harmonie zwischen Kraftwerk und Schadstoffbegrenzung sicherzustellen. Scania AB demonstriert neue Erfolge, indem es die Energie aus systemischer Sicht angeht und den tatsächlichen Energiebedarf eines Schiffes sowie die Art und Weise, wann diese Energie geliefert werden muss, genau unter die Lupe nimmt.

Wie Schiffseigner wissen, ist das in keiner Weise einfach. Tier-4-Systeme sind komplex und teuer in der Anschaffung und im Betrieb. Sie sind groß und erfordern häufig maßgeschneiderte, spezifische Analysen für die Platzierung in einem Gefäß. Eine Herausforderung und Schwierigkeit, die die EPA als „Verpackung“ bezeichnet und im wahrsten Sinne des Wortes darin besteht, die Hardware und die zugehörigen Komponenten in einen Rumpf einzubauen. Die Tier-4-Anforderungen sind streng: Die Emissionen von 25 Tier-4-Motoren sollen denen eines einzigen Tier-1-Motors entsprechen. Das Schiff, sein Motor und die Nachbehandlung müssen als ein einziges System funktionieren, um optimale Leistung, Zuverlässigkeit, Kosten- und Emissionsreduzierung zu gewährleisten.

Aus Gesprächen mit Experten im Tier-4-Bereich geht hervor, dass einige der technischen Herausforderungen bei der Tier-4-Installation bewältigt werden. Der Fortschritt ist langsam, aber zumindest neue Schiffe werden so konzipiert, dass sie Tier-4-Motoren und Nachbehandlungssysteme enthalten, die natürlich genauso viel Platz benötigen wie die Motoren, an die jede Einheit angeschlossen werden muss.

(Bild: Hug Engineering)

Wichtig ist jedoch, dass sich diese Fortschritte über eine sehr zersplitterte Landschaft erstrecken müssen. Fortschritte bei einem Gefäß oder einer Anwendung bedeuten nicht automatisch Erfolg an anderer Stelle. Jede unterschiedliche Schiffsklasse erfordert einen anderen Ansatz und eine andere Analyse für die Tier-4-Implementierung. Hummerboote sind nicht dasselbe wie Fähren, die nicht dasselbe sind wie Lotsenboote. Es ist nicht übertrieben zu schreiben, dass jedes Schiff – nicht nur jede Schiffsklasse – eine eigene Analyse erfordert.

Tier 4 gilt natürlich nicht nur für neue Schiffe. Ein Schiffseigner, der ein älteres Schiff umrüsten möchte, steht vor der gleichen langen Liste von Fragen und Kompromissen. Möglicherweise entscheidet er oder sie, dass es einfacher ist, die ganze Reihe von Problemen zu vermeiden, und anstatt einen Tier-4-Motor mit 800 PS (die 800-PS-Tier-4-Grenze, ebenfalls 600 kW) zu kaufen, kann er oder sie stattdessen zwei kleinere Motoren kaufen. Und zunehmend ziehen Hybridanwendungen mit Strom- und Dieselstromerzeugung die Aufmerksamkeit der Betreiber auf sich. Hybridsysteme verdoppeln sich bei Bedarf, um unter Last maximale Leistung zu liefern, und die maximale Last beträgt normalerweise nur einen Bruchteil der Betriebszeit eines Schiffes.

Erschwerend kommt hinzu, dass der Tier-4-Markt und das Geschäftsumfeld weiterhin instabil sind. Tier 4-Entscheidungen finden in einem ungeklärten regulatorischen Umfeld statt – auch wenn die EPA-Vorschriften 2008 fertiggestellt wurden und die Einführung von Tier 4 bis 2017 abgeschlossen sein sollte. Diese Unsicherheit wirkt sich auf Entscheidungen in allen Bereichen aus – auf Werften, bei Motorenherstellern und Schiffseigentümern.

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Im vergangenen September schlug die EPA vor, die Einführung von Tier 4 für bestimmte Schiffstypen – Hochleistungsschiffe wie Hummerboote – zu verschieben. Als Reaktion darauf gingen Kommentare aus der gesamten Branche ein, in denen die EPA aufgefordert wurde, den Umfang dieser Verzögerung auszuweiten – um eine breitere Palette von Schiffen einzubeziehen, von Arbeitsbooten bis hin zu Ausflugsbooten. Die öffentliche Kommentierungsfrist der EPA endete im Oktober. Hinter den Kulissen hat die EPA jedoch eine aktive und gezielte Diskussion mit Branchenvertretern geführt und sie nach ihrer Meinung zu den Vorwürfen und Gegenvorwürfen im Rahmen der Tier-4-Debatte gefragt. Die vielen Probleme mit der Einhaltung von Tier 4 sind nach wie vor umstritten.

Die EPA rechnete damit, dass Änderungen im Schiffsdesign und technologische Fortschritte bis 2017 marktreif sein würden. Die EPA gewährte dieser Entwicklungszeit Zeit, um die „Verpackungs“-Probleme (wie die EPA es nannte) zu lösen, die eine schnellere Einführung im Jahr 2008 verhinderten; Die EPA wusste, dass die Anwendung und Installation der Tier-4-Nachbehandlung noch einige Jahre auf sich warten ließ. Zehn Jahre später blieben die „Verpackungsprobleme“ jedoch bestehen. „(Die) jahrzehntealte Annahme der EPA darüber, wie der Markt reagieren würde, hat sich als falsch erwiesen“, fasste Robert J. Lawler, Jr., Präsident der Passenger Vessel Association, in seinen Kommentaren gegenüber der EPA den Tier-4-Stand der Dinge zusammen .

Die EPA plant, im Sommer 2020 eine endgültige Entscheidung zu ihrem Vorschlag zur Verzögerung zu treffen.

Dana Brewster (Foto: Hug Engineering)

Der Ansatz von Hug Engineering zur Tier 4-Konformität zeigt, wie Ingenieure maximale Flexibilität in Bezug auf Materialien und Platz anstreben. Diese Art von Fortschritt ist wichtig für Schiffseigner, die eine Umrüstung anstreben. Möglicherweise war es Ihnen vor fünf Jahren nicht möglich, ein Tier-4-System in Ihr Schiff einzubauen. Heutzutage eignet sich derselbe Raum möglicherweise für den Einbau eines Nachbehandlungssystems in Ihren vorhandenen Motor.

HUG Engineering bietet eine nachrüstbare selektive katalytische Reduktion (SCR) zur Nachbehandlung an, um die NOx-Emissionen auf Tier 4-Standards zu reduzieren. Um auch Feinstaub (PM) zu reduzieren, kann dem SCR-System ein Dieselpartikelfilter (DPF) hinzugefügt werden. Die Nauticlean- und Clean4Marine-Systeme von HUG sind mit verschiedenen Motoren anpassbar; Tatsächlich verfügt HUG heute über Zertifizierungen für IMO III und weitere Motoren befinden sich derzeit im Zertifizierungsprozess. HUG arbeitet weltweit mit einigen OEMs von Schiffsdieselmotoren zusammen. Ein weiterer zu erkundender Tier-4-Pfad ist die Option „Beste verfügbare Technologie“ (BAT). Wenn ein Tier-4-Motor für Repower-Anwendungen nicht verfügbar ist, ziehen Luftqualitätsbehörden in manchen Fällen die BVT in Betracht.

Dana Brewster ist Hugs Regional Sales Manager, Mobile Applications (Marine/Rail). Er sagte, dass die HUG-Ingenieure bei der Installation der Nachbehandlungsanlage einen, wie er es nennt, „Lego-Ansatz“ verfolgen, das heißt, sie in nahezu jeden verfügbaren Raum einzubauen. Brewster sagte, dass Tier-4-Steuerungssysteme zunehmend in verschiedenen Konfigurationen installiert werden können. Steht mehr vertikaler Platz zur Verfügung, wird die Hardware gestapelt. In einem engen, aber längeren Raum dehnt sich das System aus. Wenn Sie jedoch einen Motor mit mehr als 800 PS benötigen, sind die Chancen besser, da Tier 4 jetzt funktionieren kann. Auch für Tier 4 gibt es jedoch keine pauschalen Antworten.

Boyer Towing hat kürzlich seinen 1997 gebauten Schlepper Gretchen H mit drei neuen Cummins QSK19 Tier 3-konformen Motoren mit einer Leistung von jeweils 750 PS bei 1.800 U/min ausgestattet. (Foto: Cummins)

Eddie Brown, Segmentleiter, Commercial Marine bei Cummins Engines, sagte, sein Team arbeite „eng mit Schiffsarchitekten und Kunden an Energielösungen zusammen, die die Tier-4-Emissionsstufen erfüllen und es Schiffen ermöglichen, ihre Missionen zu erfüllen.“ Brown sagte, dass „die Auswirkungen saubererer Emissionssysteme auf Schiffe insgesamt unterschiedlich sind.“ Einige Schiffe können neue Nachbehandlungssysteme ohne wesentliche Neukonstruktion des Behälters aufnehmen. Bei Anwendungen mit höheren Geschwindigkeiten und/oder gewichtsempfindlichen Anwendungen könnte es jedoch erforderlich sein, die Boote und ihre Maschinenräume neu zu entwerfen oder zu konfigurieren, sagte Brown. Cummins arbeitet bei solchen Projekten eng mit Kunden zusammen.

Brown sagte, dass alternative Energielösungen am Horizont stünden, von Diesel-Elektro-Hybriden bis hin zu Wasserstoff-Brennstoffzellen. „Kunden möchten ihre Schiffe mit den besten Antriebspaketen optimieren, um die gesetzlichen Vorschriften zu erfüllen und dennoch die effizienteste Motorleistung zu bieten.“

Die Hybridisierung ist ein wichtiger Schwerpunkt für ABB und seine Schiffsgeneratorprodukte. Die Niederspannungs-Standard-Schiffsgeneratoren (LV) von ABB sind für vollelektrische Schiffe und für Schiffsdieselaggregate zur Haupt-, Hilfs- oder Notstromerzeugung konzipiert. Sie decken den Leistungsbereich von 14 bis 2.600 kVA in den Baugrößen 180 bis 450 mit typischen Spannungen von 380 bis 480 V ab. Diese Ausrüstung ist in Schiffsanwendungen gut getestet und derzeit auf über 1.300 Schiffen im Einsatz.

Dave Lee, Senior Account Manager New Build bei ABB, beschreibt eine Hybridbewertung als Teil eines „anderen Denkmusters“ in Bezug auf die Schiffsleistung. Er stellt fest, dass beispielsweise bei einem Arbeitsboot selten die volle Motorleistung genutzt wird. ABB installiert kleinere Generatoren als Ergänzung zum Dieselmotor. „Wir bieten einen optimalen Leistungsbereich sowie Batterie- und Brennstoffzellentechnologie“, sagte Lee. Durch diesen Ansatz kann die Notwendigkeit eines zweiten Dieselmotors vermieden werden. Je nach Aufgabe nutzt es die PS-Leistung am effektivsten aus.

David Lee (Foto: ABB)

Der Gedanke der strategischen Leistung ist für Scania wichtig, da das Unternehmen in den USA keine Motoren über 800 PS anbietet. Dieser Hochleistungsmarkt ist zu begrenzt. Während Konstrukteure den künftigen Energiebedarf bewerten, prognostiziert Alberto Alcalá, US-Marine-Verkaufsleiter für Scania, weitere Fortschritte bei den Schiffen selbst: Sie sind auf Geschwindigkeit und Energieeffizienz ausgelegt.

Auch er erwartet eine zunehmende Hybridisierung und schreibt, dass „die Hybridisierung die Lücke zwischen Tier 3 und der Notwendigkeit eines größeren Motors mit der Komplexität von Tier 4 schließen kann.“ Im Jahr 2012 rüstete Scania den Hornblower Hybrid in San Francisco mit einem Tier-2-/Elektro-Mix aus. Dieses Schiff wurde kürzlich auf einen Tier-3-/Elektro-Mix aufgerüstet, um die strengeren Luftqualitätsziele Kaliforniens zu erfüllen.

Alberto Alcalá (Foto: Scania)

Für Alcalá steht die Hybridisierung ganz oben auf der Liste der bahnbrechenden Zukunftstechnologien. Scania arbeitet mit ABB (und anderen) an Projekten, die zeigen, wie ein Mix aus Elektro- und Dieselerzeugung größere Motorensätze ersetzen kann.

Scania-Ingenieure haben gezeigt, dass drei kleinere Motoren drei bis vier Motoren in einem herkömmlichen 2.000-PS-Schlepper auf Tier-3-Niveau ersetzen können. Neue Aggregate können bis zu 2.400 PS in einem ehemaligen 2.000-PS-Schiff liefern. Die Schiffe verbrauchen Energie nach Bedarf – im Leerlauf oder bei Abschaltung bei geringer Last, wobei deutlich weniger Treibstoff verbraucht wird und die maximale Leistung dann nur dann verbraucht wird, wenn sie benötigt wird, was wiederum normalerweise nur einen relativ kleinen Teil der Betriebsstunden eines Schiffes ausmacht.

Seien Sie gespannt auf die Entscheidung der EPA in diesem Sommer.