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CO 2 -neutrales Mobilitätspotenzial alternativer Kraftstoffe und Elektrifizierung für Nutzfahrzeuge

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  • CO 2 -neutrales Mobilitätspotenzial alternativer Kraftstoffe und Elektrifizierung für Nutzfahrzeuge

    Nutzfahrzeug-Anwendungen erfordern leistungsfähige und ausreichend unabhängige Antriebssysteme sowie Energiespeicher mit hohen Leistungsdichten. Beide Anforderungen können von Dieselmotoren in vollem Umfang erfüllt werden. Die Emissionen von Dieselmotoren, die den neuesten EU-Rechtsvorschriften der Stufe V entsprechen, sind praktisch frei von Schadstoffen. Die CO 2 -Emissionen sind die einzige Herausforderung. Deutz verfolgt zwei Strategien zur Erreichung einer CO2-neutralen Mobilität.



    Motivation

    Hersteller von Verbrennungsmotoren investieren einen großen Teil ihrer Ressourcen in die Entwicklung von Methoden zur Vermeidung von Emissionen. Und vor allem bei mobilen Maschinen wurde bereits viel erreicht. Ab 2019 werden die Off-Highway-Fahrten von Deutz der EU-Stufe V unterliegen. Im Vergleich zu 1999 werden dadurch die NO x -Emissionen um 95,7% und die Partikelemissionen um 97,9% reduziert. Darüber hinaus darf eine numerische Grenze von 1 × 10 12 Partikeln / kWh nicht überschritten werden. Die Lösung besteht darin, eine selektive katalytische Reduktion (SCR) in Kombination mit einem Dieselpartikelfilter (DPF) einzusetzen. Es bleibt das Problem von CO 2Emissionen, die zwar keine direkte Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen, jedoch als nachteilig für das Klima eingestuft werden. Die Ingenieure haben zwei Aktionslinien identifiziert, die von emissionsfreien Antrieben zu CO 2 führen-freie Zukunft. Die erste Aktionslinie betrifft die Verwendung alternativer Kraftstoffe. In diesem Bereich wird es in Zukunft zu einer umfassenden Diversifizierung kommen. Gasmotoren werden zunehmend in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen und den Weg zur Nutzung erneuerbarer Kraftstoffe vorbereiten. Langfristig von besonderem Interesse sind die E-Kraftstoffe, die Teil des Mixes werden, bei dem Motoren klimaneutral mit erneuerbarem Strom betrieben werden können. Die zweite ist die Elektrifizierung der Antriebsstränge. Hybrid- und vollelektrische Antriebssysteme eignen sich besonders für den Antrieb von kleinen und mittelgroßen Maschinen.




    Alternative Antriebsarten

    Der erste Schritt zur Verringerung der CO 2 -Emissionen besteht darin, Kraftstoffe auf Mineralölbasis durch Biokraftstoffe zu ersetzen. Die Qualität des eingesetzten Biodieselbrennstoffs und seine Auswirkungen auf die Emissionen und die Abgasnachbehandlung der heutigen EU-IV-Motorkonzepte mussten untersucht werden. Es wurden verschiedene Forschungsprojekte durchgeführt [1], um die Auswirkungen der Verwendung von Biokraftstoffen zu bewerten. Infolgedessen wurde die Verwendung von B100 und Biodieselmischungen in den derzeitigen Motoren der EU-IV-Abgasnorm genehmigt. B100 und Biodieselmischungen werden auch für den Einsatz mit Motoren der EU-V-Abgasnorm zugelassen.

    OEMs zeigen in letzter Zeit ein zunehmendes Interesse an hydriertem Pflanzenöl (HVO). Dieser Brennstoff wird durch Hydrieren von Pflanzenölen und alten Speisefetten hergestellt; es ist Teil der paraffinischen Brennstoffe. Diese Kraftstoffe zeichnen sich durch ein hervorragendes Emissionsverhalten und ein im Vergleich zu herkömmlichen Dieselkraftstoffen sehr hohes Potenzial zur Reduzierung von Treibhausgasen aus. In der Regel wird Flüssiggas (LPG) während der Erdölveredelung erzeugt, aber auch während des HVO-Produktionsprozesses in Form von Bio-LPG mit einem sehr geringen Treibhausgasemissionspotenzial. Die Motoren der Baureihen G 2.2 und G 2.9, die ab 2019 als EU-V-Motoren erhältlich sind, werden daher mit Flüssiggas betrieben [2].

    Die CO 2 -Emissionen von Off-Highway-Anwendungen können auch durch die Verwendung von Erdgas reduziert werden. Ein Projekt mit einem TCG 3.6 hat erfolgreich gezeigt, dass Erdgas in einer Traktoranwendung eingesetzt werden kann. Basierend auf einem Standard-Dieselmotor der Baureihe TCD 3.6 wurde mit dem Projekt [3] ein monovalenter Erdgasmotor entwickelt, der die gleiche Leistung wie der Dieselmotor erzielte. Der Erdgasmotor erfüllte gleichzeitig die Anforderungen der Abgasnorm EU-V (nicht für den Straßenverkehr) in Bezug auf NO x und CO und die Anforderungen der Abgasnorm EU-VI (im Straßenverkehr) für CH 4 -Emissionen (Methanschlupf) Zeit.
    Die Kombination aus Turboaufladung und Verwendung einer extern gekühlten Hochdruck-AGR verschob die Klopfgrenze so weit, dass ihre Nennleistung die des Dieselmotors sogar übertraf, Bild1 .
    Erdgasbetriebener Traktor mit TCG 3.6

    Abbildung 1
    Erdgasbetriebener Traktor mit TCG 3.6 [3] und Drehmomentkurve (© Deutz)



    Das maximale Drehmoment veränderte sich von 1600 (für Diesel) auf 1300 U / min (für CNG), erwies sich jedoch im praktischen Test als nachteilig. Beim Betrieb mit Erdgas führt der stöchiometrische Verbrennungsprozess von Natur aus zu niedrigeren Wirkungsgraden im Vergleich zum Dieselmotor, was zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs um etwa 10% bei gleicher Leistung führt. Trotz des im Vergleich zu Diesel günstigeren C / H-Verhältniss von Erdgas stößt der Motor bis zu 19% weniger CO 2 aus . Durch die Verwendung von Biomethan kann das Fahrzeug nahezu kohlenstofffrei betrieben werden [4].

    Ein Wasserstoffverbrennungsmotor ist eine weitere Konstruktionsoption zur Verringerung der CO 2 -Emissionen. Dieses Antriebskonzept ist im Wesentlichen sehr robust und wird in Kürze für On- und Off-Highway-Anwendungen verfügbar sein. Derzeit wird ein Forschungsprojekt unterstützt, das die Entwicklung eines Dieselmotors TCD 7.8 zu einem emissionsfreien Wasserstoffmotor [5] zum Ziel hat. Dieser kohlenstofffreie Motor basiert auf einer zuverlässigen, wartungsfreundlichen Technologie und ist als Antriebskonzept kostengünstiger als die konkurrierende Brennstoffzellentechnologie.

    Eine weitere und auf lange Sicht besonders vielversprechende Alternative ist die Herstellung von synthetischen E-Kraftstoffen auf der Basis von erneuerbarem Strom, die es ermöglichen, Motoren klimaneutral zu betreiben und das Klima nicht zu beeinträchtigen. Wasserstoff wird aus Elektrizität über eine Elektrolysestufe erzeugt. Nachfolgende Prozesse synthetisieren den Wasserstoff mit CO 2 , um entweder Methan oder paraffinischen Diesel herzustellen. Je nach produziertem Brennstoff (gasförmig / flüssig) wird dieses Verfahren entweder als Power-to-Wasserstoff (PtH 2) bezeichnet), Power-to-Gas (PtG) oder Power-to-Liquid (PtL). Die Herstellung von Oxymethylenether (OME) durch PtL wurde kürzlich zu einem Diskussionsthema. OME zeichnet sich dadurch aus, dass es sehr effizient und praktisch rußfrei verbrennt, wodurch die Komplexität des Abgasnachbehandlungsprozesses reduziert werden kann. OME stellt einige Herausforderungen hinsichtlich der Verbrennung, der Abgasnachbehandlung, der Einspritzung, der Materialverträglichkeit und der Kraftstoffqualität dar, die alle noch gemeistert werden müssen. Deutz ist tief in diese Arbeit eingebunden und beteiligt sich an Vorentwicklungsprojekten und an Standardisierungs-Arbeitsgruppen (DIN-FAM NA 062-06-32-06 AK "Anforderungen an OME (DIN 51699)").




    Elektrifizierung

    Nahezu alle Bau- und Landmaschinen werden aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte bei gleichzeitig sparsamem Kraftstoffverbrauch von Dieselmotoren angetrieben. Elektrifizierung und Hybridisierung bieten ein großes Potenzial zur Steigerung der Leistung, zur Optimierung der Effizienz und zur Senkung der Betriebskosten. Dies wirft die Frage auf, inwieweit Technologien intelligent kombiniert werden können, damit Fahrzeuge je nach Energiebedarf und Reichweite entsprechend effizient betrieben werden können, Bild 2. Maschinen mit hoher Auslastung und gleichzeitig langen Autonomiezeiten und flexiblen Arbeitsplätzen werden weiterhin von einem Verbrennungsmotor angetrieben. Ein rein elektrischer Antriebsstrang wird für Maschinen zum Einsatz kommen, die in einem lokalen Umfeld, wie beispielsweise in Stadtgebieten, dauerhaft emissionsfrei betrieben werden. Der interessierende Bereich für Hybridantriebskonzepte ist der Übergangsbereich dazwischen.
    Elektrifizierungsgrad nach Anwendungsbereich (© Deutz)

    Abbildung 2
    Elektrifizierungsgrad nach Anwendungsbereich (© Deutz)




    Im Jahr 2017 hat Deutz die Torqeedo GmbH, einen Systemlösungsspezialisten für integrierte Elektro- und Hybridantriebe für Boote, erworben. Diese Übernahme war der Katalysator für die Elektrifizierung der Produktpalette. Zukünftige Entwicklungen im Off-Highway-Kerngeschäft werden von dem umfangreichen Know-how profitieren. Insbesondere dynamische Anwendungen eignen sich gut für ein Hybridsystem. Mit diesen Systemen wird ein kraftvoller Elektromotor, der auch als Generator wirkt, mechanisch in die Kraftübertragung der Motoren integriert. Die tatsächliche Anwendung, bei der die oben beschriebene Hybridantriebslösung implementiert wurde, ist ein Teleskoplader, bei dem ein TCD 3.6-Dieselmotor (74 kW) durch einen TCD 2.2 (56 kW) kombiniert mit einem Elektromotor (20 kW) ersetzt wurde. , Abbildung 3. Durch die platzsparende Verkettung im Elektromotor kann das Gesamtsystem, dessen Leistung und Beschaffungskosten mit dem TCD 3.6 vergleichbar sind, bauraumneutral sein. Gleichzeitig wird ein 48-V-System eingesetzt, das heißt, es bleibt im berührungssicheren Niederspannungsbereich (<60 V). Die Sicherheitsanforderungen für diesen Spannungsbereich sind weniger streng, was zu niedrigeren Systemkosten führt.
    Teleskoplader mit P2-Hybrid (© Deutz) ×  Figur 3 Teleskoplader mit P2-Hybrid (© Deutz)

    Abbildung 3
    Teleskoplader mit P2-Hybrid (© Deutz)



    Der Verbrennungsmotor des Telehandlers wird so ausgelegt, dass er sowohl die durchschnittliche Drehmomentanforderung ( Abbildung 4 ) als auch den verfügbaren Einbauraum erfüllt . Idealerweise sollte die durchschnittliche Auslastungskurve unterhalb der maximalen Drehmomentkurve des Dieselmotors liegen. Der TCD 2.2 erfüllt die Anforderungen hinsichtlich der durchschnittlichen Kapazitätsauslastung und ist auch in der Lage, ein System bereitzustellen, das hinsichtlich des Einbauraums neutral ist. Die Gesamtlänge des Hybridsystems, bestehend aus Dieselmotor und Getriebe, Abbildung 5und Kupplung ist vergleichbar mit der TCD 3.6, die sie ersetzt. Die Größe des Elektromotors wird durch die Differenz zwischen der maximalen Drehmomentkurve des TCD 3.6, die ersetzt wird, und derjenigen des TCD 2.2, die als Ersatz verwendet wird, bestimmt. Das Endergebnis war der Einsatz eines permanent erregten 48-V-Synchronmotors mit einem Anlaufmoment von 50 Nm und einer maximalen Leistung von 20 kW. Die Vorteile eines schnell angeregten Synchronmotors mit hoher Drehzahl sind die Größe und der erreichbare Wirkungsgrad. Die Optionen für die Befestigung des Getriebes am Dieselmotor wurden verbessert. Die Steuerung des gesamten Systems wird vom Motorsteuergerät übernommen. Die Software für den Hybrid oder genauer für die Koordination aller Komponenten, aus denen das System besteht, wurde vollständig im eigenen Haus entwickelt. Dies bedeutete, dass das System mit kurzen Intervallen zwischen den einzelnen Entwurfsdurchläufen auf die effizienteste Weise entwickelt wurde. Dies ist ein entscheidender Faktor für eine frühzeitige Validierung des Konzepts. Sobald ein Drehmoment verlangt wird, das größer ist als das vom TCD 2.2 erzeugte maximale Drehmoment, schaltet der Elektromotor ein und steuert seine Boost-Funktion bei. Dies kann sowohl dauerhaft als auch für kurze Zeit (ca. 20 s) in Form der Spitzenleistung des Elektromotors erfolgen.Figur 4. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die maximale Zeitdauer bei der maximalen Drehmomentcharakteristik selten länger als 20 s ist. Durch die kombinierte Spitzenleistung des Elektromotors und des Dieselmotors kann das Kennfeld des TCD 3.6 vollständig realisiert werden. Die Vorteile dieser Antriebslösung bestehen vor allem darin, dass sie eine höhere Dynamik, ein höheres Anlaufdrehmoment und den Dieselmotor bewirken, der entweder vollständig vom 48-V-Elektromotor oder mit seiner Unterstützung gestartet wird. Die Analyse verschiedener Lastzyklen mobiler Maschinen (Teleskoplader, Radlader, Schaufelradbagger) hat gezeigt, dass eine Batteriekapazität von <2 kWh erforderlich ist, wenn eine Hybridantriebslösung verwendet wird. Erste Tests mit einer Batterie mit hoher Leistungsdichte und einer Kapazität von ca. 0,5 kWh haben keine Probleme mit der Energieversorgung ergeben. Jedoch, Die rein elektrische Fahroption und das Ziel einer Akkulaufzeit von 8000 Stunden können nur mit einer deutlich höheren Akkukapazität erreicht werden. Derzeit sind Kraftstoffverbrauchseinsparungen in der Größenordnung von 10% erreichbar. Dies beinhaltet weder eine optimierte Betriebsstrategie noch den Einsatz eines Start-Stopp-Systems. Der nächste Schritt nach der Implementierung der Hybridisierung als Übertragungstechnologie ist die vollständige Elektrifizierung. Eine vollständig elektrische Anwendung, auch ein Teleskoplader, wurde in Zusammenarbeit mit Torqeedo entwickelt. Die Erkenntnisse aus dieser Entwicklung werden in ein Industrialisierungsprojekt übertragen. Deutz 'Beitrag wird ein variables Produktmodul sein, sowohl in Form von rein elektrischen Antriebslösungen als auch von Parallel- und Serienhybriden. Dies beinhaltet weder eine optimierte Betriebsstrategie noch den Einsatz eines Start-Stopp-Systems. Der nächste Schritt nach der Implementierung der Hybridisierung als Übertragungstechnologie ist die vollständige Elektrifizierung. Eine vollständig elektrische Anwendung, auch ein Teleskoplader, wurde in Zusammenarbeit mit Torqeedo entwickelt. Die Erkenntnisse aus dieser Entwicklung werden in ein Industrialisierungsprojekt übertragen. Deutz 'Beitrag wird ein variables Produktmodul sein, sowohl in Form von rein elektrischen Antriebslösungen als auch von Parallel- und Serienhybriden. Dies beinhaltet weder eine optimierte Betriebsstrategie noch den Einsatz eines Start-Stopp-Systems. Der nächste Schritt nach der Implementierung der Hybridisierung als Übertragungstechnologie ist die vollständige Elektrifizierung. Eine vollständig elektrische Anwendung, auch ein Teleskoplader, wurde in Zusammenarbeit mit Torqeedo entwickelt. Die Erkenntnisse aus dieser Entwicklung werden in ein Industrialisierungsprojekt übertragen. Deutz 'Beitrag wird ein variables Produktmodul sein, sowohl in Form von rein elektrischen Antriebslösungen als auch von Parallel- und Serienhybriden. Die Erkenntnisse aus dieser Entwicklung werden in ein Industrialisierungsprojekt übertragen. Deutz 'Beitrag wird ein variables Produktmodul sein, sowohl in Form von rein elektrischen Antriebslösungen als auch von Parallel- und Serienhybriden. Die Erkenntnisse aus dieser Entwicklung werden in ein Industrialisierungsprojekt übertragen. Deutz 'Beitrag wird ein variables Produktmodul sein, sowohl in Form von rein elektrischen Antriebslösungen als auch von Parallel- und Serienhybriden.
    Vergleich der Drehmomentkurven (© Deutz)

    Abbildung 4
    Vergleich der Drehmomentkurven (© Deutz)
    Stirnradstufe der Übertragung (© Deutz)

    Abbildung 5
    Stirnradstufe der Übertragung (© Deutz)



    Zusammenfassung

    Beginnend mit dem Zero-Emission-Laufwerk wird es je nach der beabsichtigten Anwendung eine größere Mischung verschiedener Antriebstypen geben. Low-Load-Anwendungen, zum Beispiel Gabelstapler, werden zunehmend mit Elektro- oder Gasantrieben ausgerüstet. Während die Elektrifizierung von Nebenabtrieben unabhängig von der Leistungsklasse angewendet werden kann, ist der Hybrid- oder vollelektrische Antrieb derzeit für kleinere Anwendungen geeignet. Je nach Anwendung kann die optimale Kombination aus konventionellen und elektrischen Antriebskomponenten ausgewählt werden. Dagegen werden reine Dieselantriebe auf absehbare Zeit weiterhin in Baumaschinen und Landmaschinen verbaut, da diese Maschinen unabhängig voneinander arbeiten müssen. Alle Verbrennungsmotoren, ob als Teil eines Hybrids oder für sich allein, kann in Zukunft auch mit synthetischen Kraftstoffen klimaneutral betrieben werden. Zu diesem Zweck werden derzeit Verfahren entwickelt, die grünen Strom und ein spezielles Elektrolyseverfahren verwenden, um synthetischen Brennstoff herzustellen, der aufgrund seiner chemischen Eigenschaften in jedem Verhältnis mit fossilen Brennstoffen gemischt und verwendet werden kann. Um dieser Entwicklung den Weg zu bereiten, werden Motoren bereits für mehrere Kraftstoffe ausgelegt. Elektrifizierung und E-Kraftstoffe können sich perfekt ergänzen, um CO effektiv zu senken Um dieser Entwicklung den Weg zu bereiten, werden Motoren bereits für mehrere Kraftstoffe ausgelegt. Elektrifizierung und E-Kraftstoffe können sich perfekt ergänzen, um CO effektiv zu senken Um dieser Entwicklung den Weg zu bereiten, werden Motoren bereits für mehrere Kraftstoffe ausgelegt. Elektrifizierung und E-Kraftstoffe können sich perfekt ergänzen, um CO effektiv zu senken2Emissionen und sorgen für umweltbewusste Mobilität.


    Verweise

    [1] Harndorf, H .; Buchholz, B. ua: Abschlussbericht über das Projekt zur Untersuchung der Betriebsleistung von Industriemotoren der EU-Abgasnorm COM IV für den Einsatz von Biodiesel. 2017, UFOP-Publikationen / Biodiesel & CO

    [2] Schwaderlapp, M .; Feuser, W .: Die neuen Diesel- und Gasmotoren für den unteren Leistungsbereich. 4. Internationaler Motorkongress, Baden-Baden, 2017

    [3] Prehn, S .; Wichmann, V .; Harndorf, H .: Entwicklung und Untersuchung eines Gasmotors für landwirtschaftliche Maschinen - Phase 1 + 2. Abschlussbericht, Rostock, 2016

    [4] Prehn, S .; Wichmann, V .; Harndorf, H .; Beberdick, W .: Zukünftige Verbrennungssysteme für mit Bio-Methan angetriebene Traktormotoren. 10. Rostocker Bioenergieforum, Rostock, 2016, ISBN: 978-3-86009-433-4

    [5] Koch, D .; Christian S .; Rottengruber H., Sousa, A .: Simulationsgestützte Entwicklung eines Wasserstoffmotors für den emissionsfreien Transport. In: MTZworldwide (2017), Nr. 11, S. 36-40
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