Poślizg metanu w silnikach LNG: typy silników i wpływ na bilans GHG

Silniki zasilane gazem nie spalają całego metanu: niewielka część przechodzi przez komorę spalania niespalona i trafia do spalin jako tzw. poślizg metanu (methane slip). Ponieważ metan jest silnym gazem cieplarnianym, poślizg pogarsza bilans emisji, także gdy paliwem jest bioLNG. Wielkość poślizgu zależy od typu silnika, obciążenia, stosunku powietrza do paliwa i regulacji. W rozporządzeniu FuelEU Maritime wartości domyślne różnią się w zależności od typu silnika morskiego – od około 0,2% do ponad 3% masy zużytego paliwa.

Przeliczenie poślizgu na gCO₂e/MJ

Metan ma wartość opałową ok. 50 MJ/kg. Poślizg o wartości s (jako ułamek masy paliwa) oznacza niespalone s kg CH₄ na każdy kg paliwa, czyli s/50 kg na MJ. Emisja w gCO₂e/MJ = s/50 × 1000 g × GWP. Dla GWP₁₀₀ = 28:

Dla horyzontu 20-letniego (GWP ok. 80–84) wartości byłyby około trzykrotnie wyższe.

Typy silników

W FuelEU Maritime wyodrębniono kilka kategorii silników LNG, dla których przyjęto domyślne wartości poślizgu (wartości mogą być aktualizowane; należy sprawdzać obecny załącznik): m.in. silniki dwupaliwowe średnioobrotowe z zapłonem iskrowym (poślizg rzędu kilku procent), dwupaliwowe niskoobrotowe z zapłonem iskrowym (około 1,7%), dwupaliwowe niskoobrotowe z zapłonem samoczynnym (około 0,2%) oraz silniki na ubogą mieszankę z zapłonem iskrowym (około 2,6%). W transporcie drogowym wartości zależą od technologii: silniki stechiometryczne z katalizatorem trójfunkcyjnym mają zwykle niski poślizg, silniki dwupaliwowe HPDI mają inny profil emisji, a silniki ubogie bez dodatkowych układów – wyższy.

Skąd się bierze poślizg

1. Niskie obciążenie: słabsze spalanie, zimne ścianki komory.
2. Szczeliny i objętości martwe w komorze: gaz nie dociera do płomienia.
3. Przepłukiwanie cylindra w silnikach dwusuwowych i dwupaliwowych: część mieszanki ucieka.
4. Zbyt uboga lub zbyt bogata mieszanka.
5. Starzenie katalizatora i zanieczyszczenie.

Redukcja

• dobór silnika o niskim poślizgu (np. dwupaliwowy z zapłonem samoczynnym, silnik stechiometryczny z katalizatorem),
• optymalizacja sterowania i unikanie długiej pracy na niskim obciążeniu,
• stosowanie katalizatorów utleniających metan (trudne ze względu na stabilność CH₄ i wymaganą temperaturę),
• recyrkulacja spalin i zmiany konstrukcyjne,
• w żegludze – wybór innych paliw lub układów hybrydowych.

Przykład obliczeniowy dla statku

Założenia: statek zużywa 10 000 t bioLNG rocznie (energia 500 TJ przy 50 MJ/kg), poślizg 3,1%. Niespalony metan: 310 t. Przy GWP₁₀₀ = 28 to 8680 t CO₂e rocznie. Jeśli silnik zostanie zmieniony na typ o poślizgu 0,2%, emisje z poślizgu spadają do 20 t CH₄ i 560 t CO₂e, czyli o ponad 8000 t CO₂e rocznie. Dla porównania CO₂ ze spalania tej ilości paliwa wyniosłoby ok. 27 500 t (10 000 × 2,75), ale jest biogeniczne i nie wlicza się do bilansu zgodnie z zasadami FuelEU.

Wnioski dla dostawców i armatorów

• Sam wybór bioLNG nie gwarantuje niskiej emisji; potrzebny jest odpowiedni silnik.
• Warunki umów paliwowych powinny uwzględniać dokumentację GHG i parametry silnika.
• Producenci bioLNG mogą konkurować śladem produkcji, ale nie kontrolują poślizgu u odbiorcy.
• Regulacje będą dalej rozwijać metodykę liczenia poślizgu.

Gdzie szukać aktualnych wartości

Wartości domyślne poślizgu w FuelEU Maritime są zawarte w załącznikach rozporządzenia i mogą być aktualizowane aktami delegowanymi, dlatego do obliczeń używaj bieżącej wersji tekstu z EUR-Lex. Armatorzy mogą też stosować wartości rzeczywiste na podstawie certyfikowanych pomiarów, jeśli uznają je organy weryfikujące. W transporcie drogowym dane producentów silników i badania niezależnych instytutów są podstawą oceny poślizgu, a standardy testów nie zawsze obejmują metan niespalony, więc warto o to pytać dostawców.

Podsumowanie

Poślizg metanu w silnikach jest czynnikiem, który może zniwelować część korzyści z bioLNG. Odpowiedni dobór technologii i optymalizacja pracy silnika ograniczają ten efekt.