Wärtsilä heeft een single fuel gasmotor ontwikkeld, de Wärtsilä 31SG. Het is de eerste van een nieuwe generatie, volledig op aardgas (LNG) draaiende, medium speed viertakt scheepsmotoren met vonkontsteking.

De motor werd door de Finnen in september tegelijkertijd in de Verenigde Staten (op de Gastech 2019 in Houston) en Rusland (op de NEVA in St. Petersburg) gepresenteerd.

De 31SG is gebaseerd op de enige jaren geleden al op de markt verschenen 31D medium speed dieselmotor en de 31DF medium speed dual fuel-motor, waarvoor een volledig nieuw platform werd ontwikkeld. Net als deze motoren zou de volledig op aardgas draaiende 31SG een thermische efficiënte van 50% halen, wat uitzonderlijk hoog is voor een viertakt gasmotor met vonkontsteking.

De motor is geschikt voor hybride- en gas-elektrische aandrijvingen. De hoge thermische efficiëntie en lage methaanslip zorgen dat de broeikasgasemissies (CO2 en CH4) 15% lager liggen dan van gasmotoren uit 2015 en de de dual fuel-versie van deze motor.

Belangrijke bijdrage aan de hoge efficiëntie met completere verbranding levert een tweetraps turbosysteem, met een lage- en een hogedruk turbo. De hoge turbodruk (ruim 10 bar) die dat oplevert maakt een gemiddelde effectieve cilinderdruk (BMEP) van 30 bar mogelijk, wat ongekend hoog is voor een gasmotor met vonkontsteking.

Lean burn-techniek

De overmaat aan lucht die dat oplevert maakt efficiënt gebruik van de ‘lean burn’ technologie over een brede belastingrange mogelijk met een maximaal heavy duty-vermogen van 550 kW per cilinder.

Bij deze techniek wordt in de gasmotor een arm gasmengsel met de vonk van een bougie ontstoken. De grote overmaat aan lucht zorgt na de ontsteking niet alleen voor een completere verbranding, maar absorbeert ook een deel van de hitte. De emissies van stikstofoxide (NOx) liggen bij de 31SG daarmee 35% onder de Tier III-norm.

De 31SG heeft een elektronisch aangestuurd hydraulisch systeem voor het openen en sluiten van de kleppen dat vergelijkbaar is met in de auto-industrie gebruikte systemen. Het hydraulische systeem werkt zonder klepspeling. Dat maakt een veel soepeler en nauwkeuriger variabele kleptiming mogelijk dan met tuimelaars.

De per cilinder en per inlaatslag aanpasbare timing van de inlaatkleppen moet garanderen dat het arme gas/luchtmengsel in de cilinders onder alle atmosferische omstandigheden en alle verschillende belastingen optimaal blijft. Ook in deellast kan zo worden geprofiteerd van de hoge turbodrukken, zelfs bij langdurige belasting van slechts 10%.

Het voor de 31 ontwikkelde ‘Unified Controls’ (UNIC) motormanagement-systeem stuurt met informatie van een groot aantal sensoren de in- en uitlaatkleppen aan, de timing en hoeveelheid van de brandstofinspuiting en de nauwkeurige timing van de ontstekingsvonk.

Tweetrapsturbo

De gebruikte tweetraps turbo’s zitten op de motor zelf en zijn modulair opgebouwd. Verschillende onderdelen kunnen, vergelijkbaar met de cartridges van een printer, uit de behuizing worden getrokken wanneer vervanging nodig is.

Punt is wel dat klassenbureaus eisen dat een schip met een single fuel-gasmotor een back up-systeem heeft dat garandeert dat de schroef nog 40% van het maximale toerental (MCR) haalt. Aan die eis kan volgens Wärtsilä worden voldaan door bij een gas-elektrisch of hybride systeem te kiezen voor een dubbel uitgevoerd systeem met met twee motoren, twee gastanks en twee leidingsystemen. Wanneer de motoren dan in een hybride systeem worden gecombineerd met lithium-ion accubanken voor het afvlakken van piek- en dalbelastingen, dan kan het aantal draaiuren per motor flink verminderen en daarmee de onderhoudskosten. Wärtsilä stelt dat met zo’n systeem nog eens 2 tot 6% brandstof kan worden bespaard.

Onderhoud

Op basis van informatie uit het motormanagement-systeem is ‘condition based maintenance’ mogelijk bij de motoren. Wie vaste standtijden wil aanhouden adviseert de fabriek na 42.000 uur een koprevisie uit te voeren en na 64.000 uur een grote revisie.

In vergelijking met de dual fuel-versie levert de single-gasmotor volgens Wärtsilä een besparing van 5% op operationele kosten op en zijn de investeringskosten eveneens 5% lager.

Wärtsilä wil in meerdere vermogensklassen SG-motoren voor de scheepvaart ontwikkelen. Vraag is wel of men in de scheepvaart gasmotoren met een vonkontsteking accepteert. Hoewel de voor deze motoren ontwikkelde bougies lang meegaan is de levensduur beperkter dan van een dieselverstuiver.

De maritieme versie van de Wärtsilä 31SG wordt aangeboden in versies van 8 (4,2 MW) tot 16 cilinders (8,8 MW) bij 720 tot 750 toeren. Voor krachtcentrales is er ook een V20-versie met een vermogen van 12 megawatt. Aan krachtcentrales zijn al diverse 31SG-motoren geleverd.

Bron: Schuttevaer
Tekst: Hans Heynen
Foto: Wärtsilä