ABC ist Vorreiter für CO2 reduzierende Motortechniken
Der belgische Motorenhersteller ABC-Engines nahm vor einigen Jahren Zweistoffmotoren in sein Produktionsprogramm auf und arbeitete anschließend an neuen Dual-Fuel-Lösungen mit Methanol und Wasserstoff. Zu den Untersuchungen gehörte auch der Rückgriff auf einen Einzylinder-Testmotor. Auf diese Weise wurde eine Fülle von Erfahrungen mit Hubkolbenmotoren in BeHydro eingebracht, abgestimmt auf das Engagement von CMB für die Realisierung von Antriebslösungen mit Wasserstoff-Kraftstoff, die letztendlich als wettbewerbsfähige Optionen für seine umfangreiche Flotte von Hochseeschiffen in Frage kommen.
Die Markteinführung eines wasserstofffähigen, mit zwei Kraftstoffen betriebenen Antriebsaggregats eröffnet das Portfolio, das vom BeHydro-Joint Venture – der in Antwerpen ansässigen Compagnie Maritime Belge (CMB) und dem Genter Hersteller von ABC-Diesel geplant ist. Der Zeitpunkt war bedeutend, da die Europäische Kommission am 17. September bekannt gab, dass sie ihre Pläne zur Erreichung der europäischen Klimaneutralität bis 2050 intensivieren werde.
In den letzten drei Jahren haben die BeHydro-Partner einen Wasserstoffwechsel-Motor entwickelt, eine reine Wasserstoffversion vorangetrieben und Vorbereitungen für die Serienproduktion getroffen. Der Monowasserstofftyp soll die Palette im zweiten Quartal 2021 erweitern.
Die BeHydro-Generation wird ein breites Anwendungspotential haben, dazu gehören Hauptantriebsmotoren für die Küstenschifffahrt, Binnenschifffahrt und Schlepper, Elektroaggregate für Hochseeschiffe, aber auch Lokomotiven und E-Aggregate für Krankenhäuser und Datenzentren.
Approval in Principal
Lloyd’s Register hat eine prinzipielle Zulassung (Approval in Principle, AiP) für den Motor erteilt. Bei der prinzipiellen Zulassung sagte Lloyd’s Register, dass der Motor “eine wichtige Entwicklung ist, um das Potenzial von Wasserstoff als Kraftstoff für die Schifffahrt zu demonstrieren“. Und Alexander Saverys, CEO von CMB, fügt hinzu: “Die prinzipielle Zulassung ist ein wichtiger Meilenstein bei der Einführung der BeHydro-Mittelschnellläufer. Sie bestätigt, dass die eingebauten Sicherheitssysteme ein solider Beweis für seine Zuverlässigkeit sind“.
Wasserstoffmotor ist Teil des High-Tech Programms von BeHydro
Damit investiert das Joint-Venture gezielt in umweltfreundliche Zukunftslösungen für weniger Schadstoffausstoß und geringeren Energie- und Rohstoffverbrauch. ABC-Diesel konzentriert sich im High-Tech-Programm auf Abgasnachbehandlung, alternative Kraftstoffe, Digitalisierung und Gesamtsystemfähigkeit, mit anderen Worten: das gesamte Antriebs- und Energie-Erzeugungssystem wird betrachtet. Nach Angaben des belgischen Joint Ventures bietet der Motor das Potenzial, die CO2-Emissionen um bis zu 85 Prozent zu reduzieren. Dank der Dual-Fuel-Technik kann der Motor auch dann Drehmoment bzw Leistung liefern, wenn keine alternativen Energieträger oder Wasserstoff zur Verfügung stehen.
Erste Anwendung zum „Anfassen“
Auf der Basis der bekannten ABC-Diesel Baureihe DZC wurde ein 6-Zylinder Diesel-Reihenmotor für die Nutzung von Wasserstoff hergerichtet und als Elektroaggregat in einen handelsüblichen Container eingebaut. Potentielle Kunden / Interessenten können sich so von dem Aufbau von BeHydro-Motor, Container, Wasserstoffversorgung, Generator und der Funktionalität der Anlage überzeugen. Das Aggregat wurde und wird in Gent ausgiebig getestet. Während der umfangreichen Tests werden die Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistung noch weiter verfeinert.
BeHydro kann auf ein großes internes Fachwissen und ein effektives Ingenieurteam zurückgreifen, das die Leistung der Wasserstoffverbrennungstechnik genau überwacht und verbessern kann. Das Ziel ist es, qualitativ hochwertige und zuverlässige Wasserstoff-Verbrennungsmotoren für den heutigen wettbewerbsintensiven und anspruchsvollen Markt zu liefern.
ABC-Engines stellt seinen neuen BeHydro-Motor vor
Die turboaufgeladene und ladeluftgekühlte BeHydro-Baureihe ist als 6- und 8-Zylinder Reihenmotor, sowie als 12- und 16-Zylinder in V-45-Grad-Konfiguration erhältlich. Mit 256 mm Bohrung und 310 mm Hub weist sie einen Hubraum von 15,95 Litern pro Zylinder auf. Mit einem bmep von nur 12,54 bar, und einer mittleren Kolbengeschwindigkeit von 10,3 m/s wird sichergestellt, dass die traditionelle ABC-Zuverlässigkeit und Robustheit erhalten bleibt. Mit diesen Abmessungen kann die DZC-Baureihe einen Leistungsbereich von 1.000 kW (6-Zyl.) bis zu 2.670 kW (16-Zyl), entsprechend 166,7 kW / Zyl. bei jeweils 1.000/min im Wasserstoff / Dieselbetrieb abdecken.
Einzel-Zylinderköpfe mit 4 Ventilen pro Zylinder fördern die Reparierbarkeit und den Kraftstoffverbrauch. Der BeHydro-Motor arbeitet nach dem Prinzip eines Ottomotors (Fremdzündung).
Die H2-Dual-Fuel Kraftstoffzufuhr / -verbrennung
Der H2-Kraftstoff wird in speziellen Druckflaschen bei 350 bar gespeichert. Über mehrere Druckminderstationen wird der Kraftstoff am Zylindereintritt bis auf max. 3 bar reduziert. Hier wird über das sogenannte Port Valve Injection-System (vergleichbar im weitesten Sinn mit dem Common-Rail-System von Dieselmotoren) der Wasserstoff während des Ansaugtaktes in den Zylinder eingedüst.
Der gasförmige Wasserstoff mischt sich während des Kompressionshubs weiter zu einem gleichmäßigen und homogenen Gemisch.
Eine kleine Menge Diesel-Pilotkraftstoff wird kurz vor dem oberen Totpunkt in den Brennraum eingespritzt
Dieser Diesel entzündet sich selbst (wie ein normaler Dieselmotor aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke in der Brennkammer) und verbrennt mit dem gesamten Wasserstoff / Luft-Gemisch, genau wie ein Diesel / Luft-Gemisch in einem Dieselmotor.
Die Abgase werden während des Auspufftaktes wie üblich aus dem Zylinder herausgedrückt. Die CO2-Emissionen sind viel geringer, da viel weniger Diesel eingespritzt wurde, um die gewünschte Performance zu erzielen.
Dank der doppelwandigen Ausführung des Gassystems kann der Maschinenraum ähnlich wie bei einem Dieselmotor ausgeführt werden.
Die neue „Wasserstoff-Baureihe“ erfüllt die Emissionsstandards EU-Stufe V sowie IMO TIER III.
Zusammenfassung
Wasserstoff als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren ist einsatzbereit. ABC-Engines hat mit seiner Vorstellung eines mittelschnelllaufenden Viertakt-Zweistoffmotors den Beweis geführt.
Wesentlicher Nachteil ist die Speicherung einer ausreichenden Menge von H2 an Bord von Wasserfahrzeugen, sodass zurzeit nur Schiffe in einem überschaubaren Einsatzgebiet, wie zum Beispiel Hafenschlepper, damit ausgerüstet werden können.
ABC is pioneer for CO2 reducing engine technologies
The Belgian engine manufacturer ABC-Engines included dual-fuel engines in its production program several years ago and then worked on new dual-fuel solutions with methanol and hydrogen. The investigations also included recourse to a single-cylinder test engine. In this way, a wealth of experience with reciprocating piston engines was brought to BeHydro, in line with CMB’s commitment to realizing propulsion solutions using hydrogen fuel, which ultimately qualify as competitive options for its extensive fleet of ocean-going vessels.
The market launch of a hydrogen-capable, dual fuel propulsion system opens the portfolio planned by the BeHydro joint venture – the Antwerp-based Compagnie Maritime Belge (CMB) and the Ghent based ABC diesel manufacturer. The timing was significant as the European Commission announced on September 17 that it would intensify its plans to achieve European climate neutrality by 2050.
Over the last three years, the BeHydro partners have developed a hydrogen dual-fuel engine, pushed a pure hydrogen version and made preparations for series production. The monohydrogen type is expected to expand the range in the second quarter of 2021.
The BeHydro generation will have a broad application potential, including main propulsion engines for coastal shipping, inland waterways and tugboats, electric gensets for ocean-going vessels, but also locomotives and electric gensets for hospitals and data centers.
Approval in Principal
Lloyd’s Register has issued an approval in principle (AiP) for the engine. In approving the engine in principle, Lloyd’s Register said that the engine “is an important development to demonstrate the potential of hydrogen as a fuel for shipping”. And Alexander Saverys, CEO of CMB, added: “The approval in principle is an important milestone in the introduction of the BeHydro medium-speed engines. It confirms that the built-in safety systems are a solid proof of its reliability”.
Hydrogen engine is part of BeHydro’s high-tech program
The joint venture is thus making targeted investments in environmentally friendly future solutions for less pollutant emissions and lower consumption of energy and raw materials. In its high-tech program, ABC-Diesel concentrates on exhaust gas aftertreatment, alternative fuels, digitalization and overall system capability, in other words: the entire drive and energy generation system is considered. According to the Belgian joint venture, the engine has the potential to reduce CO2 emissions by up to 85 percent. Thanks to dual-fuel technology, the engine can deliver torque or power even when no alternative energy sources or hydrogen are available.
First “hands-on” application
On the basis of the well-known ABC diesel series DZC, a 6-cylinder in-line diesel engine was prepared for the use of hydrogen and installed as an electric power unit in a standard container. Potential customers / interested parties can thus convince themselves of the design of the BeHydro engine, container, hydrogen supply, generator and the functionality of the system. The unit has been and will be extensively tested in Ghent. During the extensive tests the efficiency, reliability and performance will be further refined.
BeHydro can rely on a large in-house expertise and an effective engineering team that can closely monitor and improve the performance of the hydrogen combustion technology. The goal is to provide high quality and reliable hydrogen combustion engines for today’s competitive and demanding market.
ABC-Engines introduces its new BeHydro engine
The turbocharged and intercooled BeHydro series is available as a 6 and 8-cylinder in-line engine, as well as a 12 and 16-cylinder in V-45 degree configuration. With 256 mm bore and 310 mm stroke, it has a displacement of 15.95 liters per cylinder. With a bmep of only 12.54 bar, and an average piston speed of 10.3 m/s, it ensures that the traditional ABC reliability and robustness is maintained. With these dimensions, the DZC series can cover a power range from 1,000 kW (6-cylinder) to 2,670 kW (16-cylinder), corresponding to 166.7 kW / cylinder at 1,000 rpm in hydrogen / diesel operation.
Single cylinder heads with 4 valves per cylinder promote repairability and fuel economy. The BeHydro engine works on the principle of an Otto-Engine (external ignition).
The H2-Dual-Fuel fuel supply / combustion
The H2 fuel is stored in special pressure cylinders at 350 bar. The fuel is reduced to a maximum of 3 bar at the cylinder inlet via several pressure reducing stations. Here the hydrogen is injected into the cylinder during the intake stroke via the so-called „Port Valve Injection System“ (comparable in the broadest sense with the common rail system of diesel engines).
The gaseous hydrogen continues to mix during the compression stroke to form a uniform and homogeneous mixture.
A small amount of diesel pilot fuel is injected into the combustion chamber shortly before top dead center
This diesel ignites itself (like a normal diesel engine due to the high temperatures and pressures in the combustion chamber) and burns with the entire hydrogen / air mixture, just like a diesel / air mixture in a diesel engine.
The exhaust gases are forced out of the cylinder during the exhaust stroke as usual. The CO2 emissions are much lower because much less diesel is injected to achieve the desired performance.
Thanks to the double-walled pipe design of the gas system, the engine room can be designed similar to that of a diesel engine.
The new “hydrogen series” meets the EU Stage V and IMO TIER III emission standards.
Summary
Hydrogen as fuel in combustion engines is ready for use. ABC-Engines has demonstrated this with its presentation of a medium-speed four-stroke dual-fuel engine.
A major disadvantage is the storage of a sufficient amount of H2 on board of watercraft, so that currently only ships in a manageable operational area, such as harbour tugs, can be equipped with it.
