Methaanslip in LNG-motoren: motortypes en invloed op de GHG-balans

Motoren die op gas werken, verbranden niet al het methaan: een klein deel passeert de verbrandingskamer onverbrand en komt in de uitlaatgassen terecht als zogenaamde methaanslip. Omdat methaan een sterk broeikasgas is, verslechtert de methaanslip de emissiebalans, ook wanneer de brandstof bioLNG is. De omvang van de methaanslip hangt af van het motortype, de belasting, de lucht-brandstofverhouding en de afstelling. In de verordening FuelEU Maritime verschillen de standaardwaarden afhankelijk van het type scheepsmotor – van ongeveer 0,2% tot meer dan 3% van de massa van de verbruikte brandstof.

Omrekening van methaanslip naar gCO₂e/MJ

Methaan heeft een stookwaarde van ongeveer 50 MJ/kg. Een methaanslip van s (als massafractie van de brandstof) betekent s kg onverbrand CH₄ per kg brandstof, oftewel s/50 kg per MJ. De emissie in gCO₂e/MJ = s/50 × 1000 g × GWP. Voor GWP₁₀₀ = 28:

Voor een tijdshorizon van 20 jaar (GWP ongeveer 80–84) zouden de waarden ongeveer drie keer zo hoog zijn.

Motortypes

In FuelEU Maritime zijn verschillende categorieën LNG-motoren onderscheiden, waarvoor standaardwaarden voor methaanslip zijn vastgesteld (deze waarden kunnen worden bijgewerkt; raadpleeg de huidige bijlage): onder andere middelsnellopende dual-fuelmotoren met vonkontsteking (methaanslip van enkele procenten), laagtoerige dual-fuelmotoren met vonkontsteking (ongeveer 1,7%), laagtoerige dual-fuelmotoren met zelfontbranding (ongeveer 0,2%) en motoren met arm mengsel en vonkontsteking (ongeveer 2,6%). In het wegvervoer zijn de waarden afhankelijk van de technologie: stoichiometrische motoren met driewegkatalysator hebben meestal een lage methaanslip, dual-fuelmotoren met HPDI hebben een ander emissieprofiel, en motoren met arm mengsel zonder extra systemen – een hogere methaanslip.

Oorzaken van methaanslip

1. Lage belasting: minder efficiënte verbranding, koude wanden van de verbrandingskamer.
2. Spleten en dode volumes in de kamer: gas bereikt de vlam niet.
3. Spoelen van de cilinder in tweetakt- en dual-fuelmotoren: een deel van het mengsel ontsnapt.
4. Te arm of te rijk mengsel.
5. Veroudering van de katalysator en vervuiling.

Reductie

• keuze van een motor met lage methaanslip (bijv. dual-fuel met zelfontbranding, stoichiometrische motor met katalysator),
• optimalisatie van de besturing en vermijden van langdurig gebruik bij lage belasting,
• gebruik van methaanoxiderende katalysatoren (moeilijk vanwege de stabiliteit van CH₄ en de vereiste temperatuur),
• uitlaatgasrecirculatie en constructiewijzigingen,
• in de scheepvaart – keuze voor andere brandstoffen of hybride systemen.

Rekenvoorbeeld voor een schip

Aannames: een schip verbruikt jaarlijks 10 000 ton bioLNG (energie 500 TJ bij 50 MJ/kg), methaanslip van 3,1%. Onverbrand methaan: 310 ton. Bij GWP₁₀₀ = 28 komt dit overeen met 8680 ton CO₂e per jaar. Als de motor wordt vervangen door een type met een methaanslip van 0,2%, dalen de emissies door methaanslip tot 20 ton CH₄ en 560 ton CO₂e, oftewel een vermindering van meer dan 8000 ton CO₂e per jaar. Ter vergelijking: de CO₂ uit de verbranding van deze hoeveelheid brandstof zou ongeveer 27 500 ton bedragen (10 000 × 2,75), maar dit is biogeen en wordt niet meegerekend in de balans volgens de regels van FuelEU.

Conclusies voor leveranciers en reders

• De keuze voor bioLNG alleen garandeert geen lage emissie; een geschikte motor is noodzakelijk.
• Contractvoorwaarden voor brandstoffen moeten rekening houden met GHG-documentatie en motorparameters.
• Producenten van bioLNG kunnen concurreren op het gebied van de productievoetafdruk, maar hebben geen controle over de methaanslip bij de afnemer.
• Regelgeving zal de methodiek voor het berekenen van methaanslip verder ontwikkelen.

Waar actuele waarden te vinden

De standaardwaarden voor methaanslip in FuelEU Maritime zijn opgenomen in de bijlagen van de verordening en kunnen worden bijgewerkt door gedelegeerde handelingen. Gebruik daarom voor berekeningen altijd de huidige versie van de tekst op EUR-Lex. Reders kunnen ook werkelijke waarden toepassen op basis van gecertificeerde metingen, mits deze worden erkend door de verificerende instanties. In het wegvervoer vormen gegevens van motorfabrikanten en onderzoeken van onafhankelijke instituten de basis voor de beoordeling van methaanslip. Aangezien standaardtesten niet altijd onverbrand methaan omvatten, is het raadzaam hiernaar te vragen bij leveranciers.

Samenvatting

Methaanslip in motoren is een factor die een deel van de voordelen van bioLNG teniet kan doen. Een geschikte keuze van technologie en optimalisatie van de motorwerking beperken dit effect.