Reinigung des Scrubber-Wasch-wassers mit Membrantechnologie - Schiff & Hafen
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SCHIFFBAU & SCHIFFSTECHNIK GREEN SHIP TECHNOLOGY
Zur Seepromenade gerichtete Fassadengestaltung der Anlage Fotos und Tabellen: HS Flensburg
Reinigung des Scrubber-Wasch-
wassers mit Membrantechnologie
PROJEKT CLEANMARINE4.0 Im Rahmen eines Projekts an der Hochschule Flensburg wurde eine schiffsge-
treue Anlage (Bleed Of Treatement Unit) zur Reinigung von Scrubber-Waschwässern erstellt. Dieses aus einem
Closed-Loop-Scrubber und einer Membranreinigungsanlage zusammengesetzte System ging 2020 erfolgreich
in Betrieb. Der Fokus der laufenden Forschungsarbeiten richtet sich auf die Erfassung und Identifizierung der
Schiffsemissionen bei der Schwerölverbrennung und die Weiterentwicklung der Membrantechnologie zu deren
Reduzierung.
Prof. Dr. Wiktoria Vith, Prof. Dr. Michael Thiemke, Dennis Fischer, Prof. Dr. Rom Rabe
ie weltweiten Bestrebungen zur Technologie ermöglicht die Einhaltung ak- Ort installierten mittelschnelllaufenden
Verringerung der Umweltbelastung tuell geltender SOx- Grenzwerte. Das dabei Viertakt-Schiffsdieselmotor erwies sich als
D verpflichten den maritimen Sektor anfallende Scrubberwaschwasser (bleed- geeignet für die Errichtung einer schiffsge-
nach schadstoffarmen Emissionslösungen off) enthält neben Schwefelverbindungen treuen Scrubberwasser-Aufbereitungsanla-
zu suchen. Die nachhaltige und sichere auch Rußpartikel, Asche, toxische polyzy- ge bestehend aus dem Closed-Loop-Scrub-
Nutzung der Meere und die damit verbun- klische aromatische Kohlenwasserstoffe ber und einer Membranfiltrationsanlage.
denen Fortschritte im maritimen Umwelt- (PAK) und Schwermetalle, die bei direkter Das zur Untersuchung von Abgasemissio-
schutz können nur durch den Einsatz von Weiterleitung ins Meer der Meeresumwelt nen von Schiffen installierte System wurde
Spitzentechnologien gewährleistet werden. erheblichen Schaden zufügen. im Rahmen des vom BMBF geförderten
Durch die Errichtung der ECA-Um- In diesem Fall ginge der Schutz der At- Projektes „CleanMarine4.0“ 2019/20 er-
weltschutzzonen (Emission Control Areas) mosphäre auf Kosten der Gewässer. Der richtet und in Betrieb genommen.
benötigt die nach wie vor in hohem Umfang Handlungsbedarf wurde erkannt und jetzt Die Forschungsumgebung, die sonst
auf Schweröl als Treibstoff basierte Schiff- gilt es, Lösungen zu entwickeln, in denen an Bord eines fahrenden Schiffes zu finden
fahrt technische Lösungen zur signifikanten die rechtlichen und wirtschaftlichen As- wäre, eröffnet ein großes Potenzial – vor al-
Reduktion der SOx-Emissionen und der in pekte der Entwicklung und Einführung ei- lem mit Blick auf die bisherigen und ange-
Fokus geratenen Partikelemissionen. ner effizienten Reinigungstechnologie für strebten Forschungsmöglichkeiten auf dem
Das Auswaschen von Schadstoffen wie die Schifffahrt berücksichtigt werden. Gebiet des maritimen Umweltschutzes.
Schwefeloxiden aus den Verbrennungsab- Der maritime Forschungsstandort Seit der Initiierung der Forschungsaktivi-
gasen mittels bereits etablierter Scrubber- der Hochschule Flensburg mit einem vor täten an der Gesamtanlage konnten bereits
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erste Betriebserfahrungen und vielverspre-
MESSGRÖSSE EINSCHRÄNKUNGEN/AUSNAHMEN GRENZWERT
chende Erkenntnisse in Hinblick auf die
Schiffsemissionen und deren Reduktions- Bei einem Waschwassermassenstrom
potenzial gesammelt werden. von 45 t/MWh (siehe untere Tabelle)
Der Grenzwert darf in einem Zeitraum von 12 Std.
Rechtliche Grundlagen für 15 Min. um 100 % überschritten werden PAKpheaus-PAKpheein ≤ 50µg/l
Rechtlich werden die Grenzwerte für die Sollte der Schiffsbetrieb eine mehrmalige Inbetrieb-
nahme erfordern, so beginnt die Zeitnahme erneut
Schiffsemissionen durch den Umwelt-Aus- PAKphe (z.B. bei der Inbetriebnahme des Abgaswäscher)
schuss MEPC der IMO vorgegeben. Mit der
Verschärfung der Grenzwerte für SO2-Emis- Waschwasser, welches durch nationale Gesetze
sionen in Schiffsabgasen wurde im Jahr 2015, nicht außenbords geleitet werden darf und daher in
durch die IMO-Resolution MEPC.259(68), einem Tank zwischen gespeichert werden muss und PAKphe ≤ 50µg/l
Permeat aus Waschwasseraufbereitungsanlagen
die letzte Änderung zu diesem Themenge- von Closed-Loop-Anlagen
biet aufgenommen. Aufgrund der neuesten
Erkenntnisse zu negativen Auswirkungen In Fahrt pHaus-pHein ≤ 2
der Waschwässer auf die Umwelt werden
nun diverse Änderungen im Bereich der Stillstand pH ≥ 6,5
PAK-Messung und dessen Grenzwerte von
pH
der MEPC erwogen. Ein neuer Entwurf der 4 m von der Austrittsöffnung entfernt gemessen
oder mithilfe einer wissenschaftlich
Richtlinie mit den geplanten Änderungen anerkannten emphirischen Berechnungsformel pH ≥ 6,5
in den Emissionswerten ist vorbereitet und bzw. Methode berechnet
sollte in der 76. Sitzung des MEPC vom 10.- (fest gemacht im Hafen)
17. Juni 2021, verabschiedet werden. Jedoch
blieb dieser Tagungspunkt weitestgehend Trübung Mittelwert über 15 Min. NTUaus- NTUein ≤ 25 NTU
unangetastet und eine Entscheidung hierzu
wurde auf den kommenden Tagungszeit- Der jeweils höhere Wert wird berücksichtigt ≤ 60 mg/l
raum im November 2021 verschoben. Nitrat In den ersten drei Monaten nach Erst-Inbetrieb Ergibt sich bei einer
Die angestrebten Änderungen zur aktuell nahme soll eine Probe des Waschwassers auf Auswaschung von 12 % der im
geltenden Fassung sind in der Tabelle 1 blau Nitrate an Land untersucht werden Abgas befindlichen Stickoxide
hervorgehoben. Dabei werden die Wasch-
wässer in Hinblick auf die Einhaltung der Tab. 1: Geplante Änderungen in den Einleitparametern von Srubber-Waschwässern nach MEPC(76)
PAK-Werte strenger behandelt, vor allem,
wenn sie aus den Closed-Loop-Anlagen
mit reduziertem eingeleiteten Massen- Eingeleiteter Massenstrom
strom stammen und zwischengespeichert gemessen von einer
GRENZWERT PAKphe
werden müssen (Tabelle 2). Verdünnungseinheit für MESSMETHODE
(µg/l)
die Einhaltung des pH-Wertes
(t/MWh)
Forschungsschwerpunkte
Das Konzept des Forschungsvorhabens ist UV oder alternative
0-1 2250
Messmethode
die Antwort auf den aktuellen Handlungs-
UV oder alternative
bedarf und Fragestellungen der Industrie zur 2,5 900
Messmethode
Entwicklung umweltfreundlicher Technolo-
gien im Bereich des „Green-Shipping“-Klima- 5 450 Fluoreszenz
und Umweltschutz im Seeverkehr. Durch die 11,25 200 Fluoreszenz
Zusammenführung der Motorentechnik mit
Teilanlagen der Abgasnachbehandlung und 22,5 100 Fluoreszenz
der Abwasserreinigung – verbunden über 45 50 Fluoreszenz
gemeinsame Automation und Datenauswer-
90 25 Fluoreszenz
tung – ist es möglich, den Gesamtprozess der
Entstehung und Reduzierung maritimer > Tab. 2: Grenzwerte für die PAK-Konzentrationen in Scrubber-Waschwässern nach MEPC(76)
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SCHIFFBAU & SCHIFFSTECHNIK GREEN SHIP TECHNOLOGY
einer Trenngrenze von 50 nm. Der Werk-
stoff weist eine hohe mechanische und che-
mische Stabilität auf. Das Wasser wird nach
dem Prinzip der Cross-Flow-Filtration
durch die Membran gepresst und verlässt
die Anlage als gereinigtes Filtrat (Permeat).
Auf der Retentatseite entsteht ein konzen-
triertes Schlammgemisch bestehend aus
Rußpartikeln, Asche, Schwermetallen und
PAK‘s. Die Separation findet ohne die Zu-
gabe von weiteren Chemikalien statt.
Emissionen und Betriebs
erfahrungen
Der Betrieb der Gesamtanlage ermöglicht
eine realitätsnahe Abbildung des Anlagenbe-
triebs ähnlich dem fahrenden Schiff und die
ganzheitliche Überwachung und Analyse der
Schiffsemissionen in Echtzeit. Während eines
Zyklus der Messkampagne arbeitet der For-
schungsmotor bis zu 72 h in Dauerbetrieb bei
einer Drehzahl von 6000 1/min und erzeugt
repräsentative Abgase, die direkt im Closed-
Abb.1: Closed-Loop-Scrubber an der Hochschu- Abb. 2: Membrananlage zur Reinigung von Loop-Scrubber mit dem mit NaOH zuge-
le Flensburg während des Schwerölbetriebs Scrubber-Abwasser setztem Meerwasser (pH bis zu 7) gewaschen
und neutralisiert werden. Zur Überwachung
der Schwefelemissionsreduktionen wird
Emissionen in Echtzeit zu überwachen, die sich um eine Sonderanfertigung, abgelei- kontinuierlich das SO2 zu CO2-Verhältnis
Zusammenhänge zu eruieren und Emissi- tet aus den Serienmotoren MAK 452 und am Scrubber-Ein- und -austritt gemessen. Er-
onsreduktionspotenziale aufzuzeigen. Die MAK 282 und ausgestattet mit speziell an- wartungsgemäß funktionierte die Entschwe-
Erkenntnisse dienen hauptsächlich der Wei- gefertigten Komponenten und modifizier- felung bei unterschiedlichsten Betriebspa-
terentwicklung der Membrantechnologie zur ten Serienbauteilen. rametern von Beginn an zufriedenstellend.
Reinigung von Bleed-Off. Für diesen Zweck >> Closed-Loop-Scrubber Die SOx-Reduzierung von 98 Prozent wird
wurden und werden während der Messkam- Der installierte Scrubber stellt eine paten- durchgehend erreicht und damit die gelten-
pagnen die Daten zu gasgetragenen Emissio- tierte Entwicklung der dänischen Firma den Emissionsanforderungen erfüllt.
nen vor und nach dem Scrubber analysiert. PureteQ dar und gehört hinsichtlich seiner Das im System zirkulierende alkalische
Weiterhin erfolgt eine physiko-chemische Funktion zu den nassen Abgaswäschern. Seewasser wäscht neben dem SOx auch die
Untersuchung des anfallenden Scrubber- Das Wirkprinzip besteht darin, dass durch partikulären Emissionen aus dem Abgas
Abwassers vor dem Eintritt und nach Austritt Führen des schwefelhaltigen Abgases durch heraus und hat aufgrund des Closed-Loop-
aus der Membranfilteranlage. Das geschieht einen mit NaOH versetzten Wasserregen, Betriebs eine begrenzte Reinigungskapazität.
sowohl durch die Onlineüberwachung von die säurebildenden Komponenten SO2 und Entsprechend wird es aus dem Kreislauf als
Parametern wie pH, Temperatur und Leit- SO3 neutralisiert werden. Der Scrubber ist Bleed-Off in der Menge von bis zu 0,1 m³/
fähigkeit sowie durch Laboranalysen der auf die vom Forschungsmotor ausgesto- MWh in den Vorlagetank abgeschlämmt
Feststoffe, Schwermetalle und PAKs. Ein be- ßene Abgasmenge ausgelegt und hat eine und kontinuierlich der Membranfilteranlage
sonderer Schwerpunkt liegt auf dem stabilen Höhe von 8,2 m und einen Durchmesser zugeführt. Die Trennungsleistung der Ultra-
Betrieb und der Reinigungsleistung der inno- von 0,8 m. Die Besonderheit des Scrubbers filtrationsmembran wurde bereits mit einem
vativen Membrananlage. liegt in der spiralförmigen Zirkulationswas- Flux zwischen 150 bis 300 l/m²xh getestet.
serführung im Inneren und der somit ver- Dabei betrug die Feststoffkonzentration
Betriebskonzept der schiffsgetreuen längerten Kontaktzeit des Waschwassers im Zulauf 200 mg/l in der Anfahrtsphase
Forschungsanlage mit den Abgasen. und bis zu 1200 mg/l im kontinuierlichen
Das Aufbaukonzept der Forschungsanlage >> Scrubber-Wasserreinigungsanlage mit Betrieb, in dem sich ein Gleichgewicht zwi-
basiert auf dem Zusammenschluss folgen- Membrantechnologie schen dem neu produzierten und den abfilt-
der Teilanlagen: Die eingesetzte Membrananlage ist eine rierten Feststoffen durch die Membrananlage
>> Forschungsmotor neuartige Entwicklung des Industriepart- einstellt. Der abfließende Permeat wird kon-
Der verwendete Forschungsmotor „FOMO ners der Fa. Boll und Kirch. Das Prinzip zur tinuierlich mithilfe eines Water-Monitoring
4524“ mit einer Leistung von 0,72 MW ist Reinigung des Scrubber-Wassers basiert Systems auf die Einleitparameter überwacht
ein zweitstufig aufgeladener, mittelschnell- auf der Abtrennung nahezu aller Feststoffe und entweder in die Kanalisation abgeführt
laufender 3 Zylinder-Viertakt-Motor mit mithilfe einer Ultrafiltrationsmembran. oder für weitere Tests zwischengespeichert.
einem Hub von 450 mm und einem Boh- Die Trennungsstufe bildet eine Alumini- Unter allen Versuchsbedingungen wird eine
rungsdurchmesser von 240 mm. Es handelt umoxid (Al2O3)-Keramikmembrane mit geforderte Bleed-Off-Qualität erreicht. Die
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Trübung schwankt zwischen 1 bis 3 NTU Alternative zu schwefelfreien Kraftstoffen
und die Summenkonzentration von den darstellt, ohne dabei ein erhöhtes Risiko für
maßgeblichen 16 PAKs (EPA) übersteigt die maritime Umwelt darzustellen.
in seltenen Fällen 1 µg/l im Vergleich zu Die weiteren Forschungsarbeiten in
Feed-Konzentration von bis zu 100 µg/l. Die diesem Projekt konzentrieren sich auf die
Schwermetalle (Ar, Pb, Cd, Cr, Cu, Ni und Identifikation und Optimierung aller ver-
Zn) sind in dem Permeat mit Atomabsorpti- fahrenstechnischen Parameter des Prozes-
onspektrometer unter 0,5 mg/l nachweisbar. ses, um eine zuverlässige und benutzer-
Der Filtrationsrückstand (Retentat) freundliche alternative Technologie zur
kann je nach Betriebsweise bis zur Ein- Reduzierung der Schiffsemissionen bereit-
dickung von 30 Prozent im Kreislauf der zustellen.
Abb.3: Scrubber-Waschwasser v.l.n.r Zulauf
Membrananlage zurückgehalten und schlag- (Feed) zur Membrananlage, Retentat und
artig beim Erreichen eines voreingestellten Die Autoren:
Permeat
Filtrationsdrucks abgezogen werden. Bei Prof. Dr. Wiktoria Vith, Wasserbehandlung
und Membrantechnologie; Prof. Dr.-Ing.
Langzeitbetrieb des Systems wird eine kon-
Michael Thiemke, Schiffsbetriebstechnik,
tinuierliche Schlammentnahme praktiziert, der Reinigung von Scrubberabwasser von Fachbereich Maschinenbau, Verfah-
wobei die Feststoffkonzentration im Reten- schwerölbetriebenen Schiffen. Die Qualität renstechnik und Maritime Technologien;
tat um 15 Prozent eingestellt wird. des Ablaufs übertrifft die gesetzlichen Ein- Hochschule Flensburg; Dennis Fischer
Je nach Feststoffkonzentration im Feed ver- leitanforderungen bei Weitem, selbst bei M.Sc., Boll und Kirch Filterbau GmbH,
bleiben nach der Bleed-Off-Reinigung mit der engen Wasserkreislaufschließung im Prof. Dr. Rom Rabe, ehemals Hochschule
der Membrantechnologie zwischen 3 bis Closed-Loop-Betrieb. Flensburg
10 l Schlamm aus 1 m³ Scrubber-Waschwas- Die zu recht kritisierten Schwächen heu- Die Dozenten der Hochschule Flensburg bedanken sich
ser, der gesammelt und kostenpflichtig ent- tiger Nass-Entschwefelungsverfahren kön- bei dem Industriepartner – der Firma Boll und Kirch - für
die Mitwirkung an den Forschungsarbeiten, bei den Mit-
sorgt wird. nen somit deutlich verringert werden, damit arbeitern des Maritimen Zentrums und den Studierenden
diese Brückentechnologie, die die Schifffahrt der Schiffsbetriebstechnik für die tatkräftige Unterstüt-
Fazit voraussichtlich noch einige Jahre begleiten
zung während des mehrtägigen Drei-Schicht-Betriebs
der Gesamtanlage. Weiterführende Informationen zum
Die ersten Betriebserfahrungen belegen wird, nicht nur den minimalen Anforderun- Projekt unter:
https://hs-flensburg.de/forschung/fue/
die Effizienz der Membrantechnologie bei gen gerecht wird, sondern eine hochwertige forschungsprojekte/cleanmarine40
8th International Conference
Hamburg 27–28 September 2021
Ship Efficiency – New fuels, new rules, new tools
27th September 2021 28th September 2021
Welcome by Hermann J. Klein “Will EEXI and other regulations destroy the market?” Conference language: English
President of STG EEXI – introduction and overview of the Energy Venue: Hotel Hafen Hamburg
“The Gas Question – which gas will suit me best?” Efficiency Existing Ship Index
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Future fuels in shipping – opportunities and For conference fees, booking and rate:
costs – an update EEXI – boon or bane, carrot or stick with regulation?
GMW Marine, Process-, Energy-Technology – a shipowner’s view www.ship-efficiency.org
Consultancy, Hammah BSM, Hamburg
Strategic considerations, commercial and The EEXI puzzle – solutions for bulker and
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DNV, Hamburg IMO-Strategy on reduction of GHG emissions from ships Schiffbautechnische
To get a grip on the toxic hazard – onboard Bureau Veritas, Hamburg Gesellschaft e.V.
safety concepts for the use of ammonia as fuel How a vessel rating is done – some basics
GEA, Berlin Right Ship, London Schiffbautechnische Gesellschaft e.V.
Carbon capture for shipping – a key transition “Propulsion: New ways ahead or old wine in new bottles?”
technology to achieve CO2 reduction targets Multiple ways to save energy on medium-size
Ionada, Hamburg heavy load vessels
The usage of hydrogen in shipping – chances SAL, Steinkirchen
and risks Ways to EEXI compliance – Hydrodynamic Measures
Becker Marine Systems, Hamburg The Hamburg Ship Model Basin
Liquid organic hydrogen carrier – a solution for The ECO-Ship project – green cruising with LNG,
storing and transporting hydrogen fuel cells, sails and solar panels
Siemens Energy, Erlangen/Hamburg Ingenieurbüro Loell, Peenemünde
Panel discussion and resume of the first day Panel discussion and resume of the second day
Get together buffet Farewell buffet
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