Schwefelreduzierung und ihre Folgen

Seit dem 1.1.2020 gilt für alle Seeschiffe weltweit: Der Schwefelanteil des Kraftstoffs darf nur noch 0,5 statt bisher 3,5 Prozent betragen. Diese Vorgabe ist von der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (International Maritime Organization – IMO), der mehr als 170 Staaten angehören, verabschiedet worden und in der MARPOL-Konvention, dem “Internationalen Übereinkommen zur Verhütung der Meeresverschmutzung durch Schiffe”, festgeschrieben. Der ambitioniertere Grenzwert von 0,1 Prozent in den Sondergebieten (Emission Control Areas, ECA), der bereits seit 2015 gilt, bleibt davon unberührt.

Alternativ dürfen Schiffe den Grenzwert durch Abgasnachbehandlungstechniken, sogenannte Scrubber, von Schwefel befreien – und das belastete Waschwasser ins Meer leiten.

In der Seeschifffahrt wurden bisher überwiegend Schweröle als Kraftstoff eingesetzt. Dabei handelt es sich um die meist zähflüssigen, schadstoffbelasteten Reststoffe aus dem Raffinerieprozess.

Höhere Ausbeute an Destillatkraftstoffen mit Hilfe von Catalyst fines

Catfines im Kraftstoff zerstören Zylinderlauffläche
Catfines im Kraftstoff zerstören Zylinderlauffläche. © MAN ES

Catfines (Catalyst fines) sind feinkörnige Katalysatoren, die während der Destillation von Rohöl in Erdölraffinerien beim sogenannten katalytischen Cracken verwendet werden. Bei diesem Verfahren fügt die Raffinerie physikalische Katalysatoren hinzu, um die Ölmoleküle aufzubrechen. Die verwendeten Katalysatoren sind verschiedene Formen synthetischer kristalliner Zeolithe, mineralische Verbindungen von Aluminium und Siliziumoxide (Al2O3 und SiO2), die hochporös, extrem hart und abrasiv 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. Catfines bleiben zurück. Sie verbleiben im Bunkerkraftstoff. Und sie werden in die Schiffe gepumpt. Sie stellen eine erhebliche Gefahr für Bauteile des Einspritzsystems sowie der Partner des tribologischen Systems im Zylinder (Kolben, Kolbenringe und Zylinderlaufbuchse) dar.

Zulässige Grenzwerte für Catfines im Kraftstoff bei Motoreintritt 

Jüngste Fälle haben gezeigt, dass selbst kleinste Mengen von Catfines den Motor schädigen können. Die Reparaturkosten für einen 6-Zylinder 2-Takt-Motor können beispielsweise leicht mehrere Hunderttausend Euros betragen. 60 ppm beider Oxide im Schweröl sind nach dem neusten ISO-Standard, ISO 8217, bei Bunkerübernahme zulässig. Deshalb müssen alle Maßnahmen ergriffen werden, um das Risiko des Eintrags von Catfines in den Motor zu reduzieren.

Daher haben die Motorenhersteller ihre Empfehlungen aktualisiert und empfehlen, den Catfinesgehalt im Kraftstoff vor dem Motoreinlass so niedrig wie möglich zu halten. Ein Wert von 15 ppm ist für einen kurzen Zeitraum akzeptabel, aber der normale Wert muss niedriger gehalten werden. MAN empfiehlt hier Maximalwerte von 7 – 5 ppm zum Schutz des Motors. 

Ein schlafendes Problem, das gerade geweckt wird

Lufteinlassöffnungen in 2-Takt Zalinderrohr
Lufteinlassöffnungen in 2-Takt Zylinderrohr. © P.Pospiech

Catfines sind kein neues Problem. Das katalytische Cracken hat sich in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts weit verbreitet als die steigenden Ölpreise die Raffinerieunternehmen gezwungen haben aus ihrem Rohöl wertvollere Produkte zu gewinnen. In den 1980er Jahren wurden erste Berichte über Schäden aufgrund Catfines veröffentlicht. Auch wenn es eine Herausforderung darstellt, sie auf See zu entfernen, basiert die Ausrüstung an Bord zur Verringerung der Kontaminationswerte auf ausgereiften, wohlbekannten Techniken.

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.

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel wird eine ExxonMobil-Analyse von mehr als 400.000 Ölproben zitiert die ergab, dass 43 % der Schiffe ein möglicherweise katastrophales Problem mit Catfines haben. Selbst wenn nur ein Bruchteil dieser potenziellen Probleme erkannt wird, stehen noch viel Geld, Zeit und Störungen auf dem Spiel.

Auch das PrimeServ-Team von MAN stellte in einem Zeitraum von drei Jahren fest, dass in 190 von 226 Fällen (84 Prozent) Schäden an der Zylinderlaufbuchse mit katalytischen Feinstaubpartikeln verbunden waren.

Wie oben beschrieben, sind Catfines ein Nebenprodukt beim Cracking und der Schwefelentfernung. Je mehr Öl aufgebrochen und Schwefel entfernt wird, desto höher ist ihr Anteil.  Paul Hill, Managing Director bei AqualisBraemar, London, formuliert es so: „Dies ist ein grundlegender Kompromiss zwischen Motor und Umwelt. Sie können nicht wenig Schwefel und wenige Catfines 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.

Zusätzlich zum Problem höherer Catfines 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 und weiter steigen werden.

Eine gründliche Aufbereitung des Kraftstoffs an Bord eines Schiffes ist somit erforderlich.  

Die Trennung der Catfines vom Schweröl erfolgt üblicherweise mittels Separatoren. Zusätzlich wird eine Filtration des Kraftstoffs am Motoreintritt vorgenommen. Die Industrie hält entsprechende Reinigungssysteme vor, z.B. der CatFineMaster von GEA. Dieses System besteht aus einem Schweröl-Separator als Kernstück sowie einer Zulaufpumpe.

Um ein optimales Separierverhalten bei den Catfines unterschiedlicher Größe zu erzielen, bietet das System die Möglichkeit, zwei wesentliche Prozessparameter zu variieren. Zum einen kann die Separiertemperatur verändert werden. Durch die Heißseparierung bis zu 110°C sinkt die Viskosität des Kraftstoffs, womit sich besonders die sehr kleinen Catfines noch besser abtrennen lassen. Die zweite Prozessvariable ist die Durchflussrate, die mittels der Zulaufpumpe zur optimalen Anpassung der Durchflussmenge des Kraftstoffs an die jeweiligen Prozessanforderungen geregelt wird. Der CatFineMaster stellt eine effektive Reduzierung von Catfines sicher, was im Detail eine Zielkonzentration von unter 5 ppm bedeutet.