Als onderdeel van de minor Sustainable Inland Shipping Management hebben studenten onderzoek gedaan naar innovatieve ideeën in de binnenvaart. De opdracht was om aan de hand van huidige trends in de logistiek een innovatief idee te formuleren op organisatorisch of technisch vlak voor de binnenvaart. Een voorbeeld van een dergelijk technisch idee lichten John Christe, Tim Christe en Bryan Grob in dit artikel verder toegelicht, want hoe breng je stoom terug in de binnenvaart?
Het is een feit dat de conventionele dieselmotor geen hoog rendement heeft. Dit is in de loop der jaren sterk verbeterd, maar nog steeds gaat veel energie verloren aan wrijving en warmte, ofwel restwarmte. Een relatief klein deel is het vermogen waar de motor voor gemaakt is: het effectief vermogen in de vorm van kilowatts of paardenkrachten. Het verlies aan wrijving is niet veel meer te verlagen en uiteindelijk levert dit verlies ook weer restwarmte op of ook wel thermische energie genaamd.
Het woord thermische energie klinkt eigenlijk wat vreemd. Het is een afval product van een motor en moet het als afval worden beschouwd. Een dieselmotor heeft een gemiddeld rendement van 37% en de rest van de energie gaat verloren, 63% van de energie is thermische energie en is afval. Het grootste gedeelte gaat letterlijk de (uitlaat) pijp uit namelijk zo’n 33% en ongeveer 25% verliest de motor in het koelwater. Waarom wordt deze energie niet gebruikt, het is energie?
’Restwarmte terugwininstallatie’
Tot nog toe was het met de huidige technologie niet mogelijk deze energie terug te winnen. In de zeevaart bestaan er wel systemen die rendabel waren, maar op kleinere schaal en slechts de uitlaatgassen werden benut. Toch leverde dit een hoger totaalrendement van de motor op en een aanzienlijke brandstofbesparing. Deze ‘’restwarmte terugwininstallaties’’, afgekort ‘RWTWI’ hebben zich in de loop der tijd bewezen, verder ontwikkeld en zijn vandaag de dag een trend in de zeevaart.
In de binnenvaart was dit tot nog toe niet rendabel genoeg en is nog niet toegepast.
Met de huidige technologieën en de ontwikkelingen in de bestaande systemen uit de zeevaart, is het mogelijk op kleinere schaal restwarmte terug te winnen. Dit systeem is volgens de auteurs op kleinere schaal in de binnenvaart toepasbaar met als toevoeging de terugwinning van energie uit koelwater om een hoger totaalrendement te verkrijgen.
Technologisch
Het systeem werkt door restwarmte uit de uitlaatgassen en het koelwater terug te winnen. Of anders gezegd op te vangen, door de inzet van warmtewisselaars en hiermee een vaste stof om te zetten in stoom. Voor deze basis van deze vaste stof is gekozen voor een mengsel van lucht en stikstof, omdat dit een relatief veilig mengsel is met een laag kookpunt. Door dit lage kookpunt, kan er maximale afkoeling van het koelwater en de uitlaatgassen gecreëerd worden, ook onder hoge druk.
Huidige conventionele situatie.
De warmtewisselaars zetten het vloeibare stikstofmengsel om in stoom door het gebruik van de thermische energie uit het koelwater en uitlaatgassen welke enorm dalen in temperatuur ofwel uitstoot van thermische energie. De opgewekte stoom bereikt een hoge druk, waarmee met behulp van een stoommotor deze omgezet kan worden in een roterende beweging.
Deze roterende beweging kan direct aan de motor, of toepassing daarvan gekoppeld worden. In de scheepvaart is dit de schroefas. De stoom welke uit de stoommotor komt is sterk in temperatuur gedaald door het afnemen van de druk en gaat direct weer richting warmtewisselaars om het proces te herhalen.
Voordelen
Met dit systeem wordt uiteindelijk door het wegnemen van de schadelijke thermische uitstoot vermogen teruggewonnen wat direct gebruikt kan worden in de vorm van voortstuwing. Hiermee worden er dus op twee manieren voordelen bereikt. Hoe groot de voordelen zijn, is van vele aspecten afhankelijk, maar als ernaar de rendementen van de conventionele hoofdmotor gekeken wordt in combinatie van cijfers van bestaande systemen uit de zeevaart, is er met een RWTWI 35% van de restwarmte weg te nemen en daarvan is 25% effectief vermogen. Deze 25% is in feite het percentage van het motorvermogen wat het systeem kan leveren.
Situatie met RWTWI.
Een installatie toegepast op een motor van bijvoorbeeld 800 PK, kan uit de restwarmte 200PK terugwinnen en vormt het totaalvermogen 1000PK en hierbij is de uitstoot van thermische vervuiling met 35% afgenomen. Het vermogen gaat in feite omhoog met hetzelfde brandstofverbruik en een lagere belasting van het ecosysteem. De installatie kan ook zorgen voor een lager brandstofverbruik en lagere emissiewaarden bij een gelijk afgegeven vermogen van de voortstuwingsinstallatie.
Doordat de hoofdmotor met minder belasting kan draaien. Hierdoor neemt de restwarmte echter ook af en levert de RWTWI minder vermogen. Er ontstaat hierdoor een onevenredige kromme van het geleverde vermogen van de RWTWI ten opzichte van het motorvermogen.
Toepasbaarheid
Een RWTWI is op vrijwel ieder binnenvaartschip te installeren, op zowel bestaande schepen als nieuwbouw. Op bestaande schepen is het nadeel dat er geen rekening gehouden is met de installatie bij het ontwerp van het schip. Dit kan problemen of moeilijkheden geven met de installatie aan boord. Dit is in de nieuwbouw van binnenvaartschepen niet aan de orde, omdat er met het ontwerp van het schip direct rekening kan worden gehouden met de RWTWI.
Financieel
De kosten voor een dergelijke installatie zijn ook weer van vele factoren afhankelijk, maar is vooral afhankelijk van het motorvermogen waar de installatie op ontworpen moet zijn. Hoe groter het vermogen, hoe hoger de investeringen van de installatie. Ook de terugverdienperiode is nog moeilijk te berekenen, maar doordat het brandstofverbruik teruggedrongen wordt per ton kilometer is de rekensom per schip relatief eenvoudig uit te voeren.
Stoom blijft in de vaart!
John Christe, Tim Christe, Bryan Grob
