Methan-Motorkonzepte

18.12.2018

Wissenschaftler an der Abgasprüfstelle der Berner Fachhochschule BFH und das Karlsruher Institut für Technologie KIT haben verschiedene methangetriebene Maschinenkonzepte auf ihre Umsetzbarkeit geprüft.

Methan ist eine vielversprechende Diesel-Alternative. Wird Methan aus Erdgas, Biogas oder synthetischem Erdgas anstelle von Dieseltreibstoff eingesetzt, las- sen sich die Treibhausgasemissionen auch bei mobilen Arbeitsmaschinen reduzieren. Für den Einsatz von Methan in Verbrennungsmotoren existieren drei Verfahren: das Otto-Verfahren, das Dieselgas-Verfahren und das Gas-DieselVerfahren. Beim Otto-Verfahren wird Erdgas ohne zusätzliche Kraftstoffe im Motor verbrannt. Das Diesel-Gasverfahren mit einem Gasanteil von 60-80 % (Dual-Fuel-Verfahren) und das Gas-Dieselverfahren mit einem Gasanteil bis 90 % (HPDI-Verfahren) benötigen für die Zündung des Methans einen Dieselanteil im Kraftstoff. Je nach Verbrennungsverfahren und Motorvariante wird ein entsprechendes Einspritzverfahren ausgewählt. Zur Anwendung kommen: die Zentraleinspritzung (SPI), die Multi-PointInjection (MPI) oder die Hochdruck-Direkteinspritzung (HPDI).

Keine Vorteile ohne Nachteile

Die unbestrittenen Vorteile, welche der Einsatz von Methan als Treibstoff bietet, muss mit einem höheren Gewicht für das Tanksystem erkauft werden. Grund ist die geringere Energiedichte von Methan gegenüber Dieseltreibstoff. Die Tankkapazität ist für die zeitliche Arbeitserledigung eine entscheidende Grösse. Falls nicht ausreichender Bauraum für ein grösseres System zur Verfügung steht oder zusätzliches Gewicht nicht akzeptiert werden kann, muss gegenüber der Dieselvariante ein kleineres Tanksystem, notabene mit einem kleineren Energieinhalt, gewählt werden. Als sinnvolle Grösse wird eine Tankkapazität für eine Arbeitsschicht (Bau) oder einen Arbeitstag (Landwirtschaft) angesehen.

Bisher unbekannt: Tankkühlsystem

Unabhängig von Motorkonzept und Art des Tankes muss festgelegt werden, ob ein Tankkühlsystem vorgesehen bzw. notwendig ist und wie dieses angetrieben wird. Alternativ zu einem Kühlsystem an Bord des Fahrzeuges bietet sich die Möglichkeit an, bei längeren Stillständen die Tankkühlung über ein externes Kühlsystem sicherzustellen. Als letzte Möglichkeit kann die Treibhauswirkung von emittiertem Boil-off-Gas (siehe Kasten) über eine Sicherheitsfackel verbrannt werden. Ein Vorhaben, welches in der Landwirtschaft mit einigen Schwierigkeiten verbunden wäre. Nachfolgend einige Beispiele, wie mögliche methangetriebene Maschinenkonzepte umgesetzt werden könnten.

Kleine bzw. handgeführte Arbeitsmaschinen

Grundsätzlich müssen Maschinen mit Motorleistungen unter 19 kW geringere Emissionsgrenzwerte erfüllen als Maschinen mit grösseren Motorleistungen. Dies ermöglicht den Einsatz eines Diesel-Gas-Motors. Da in dieser Grösse eine möglichst kompakte Bauweise anzustreben ist, sollten so wenige Komponenten wie möglich hinzugeführt werden. Nach Möglichkeit soll aber eine Tankgrösse für eine Arbeitsschicht gewählt werden. Auf ein Tankkühlsystem wird daher verzichtet. Allerdings braucht es noch weitere Abklärungen, weil Vibrationen zu Verwirbelungen des Methans führen und sich der Kraftstoff im Tank erwärmen kann.

Erdbewegungs- und Strassenbaumaschinen

Für grössere Motorleistungen und lange Betriebsdauer kommen Gas-Diesel-Motorkonzepte (HPDI) infrage. Der Tank wird so gross wie möglich dimensioniert, um Betriebsunterbrechungen zu vermeiden. Bei langsam fahrenden Maschinen wird das höhere Gewicht als vernachlässigbar beurteilt. Allerdings kann das höhere Gewicht bei Radladern, die im Betrieb häufig beschleunigen, zu einem erhöhten Energiebedarf führen. Aufgrund von zu erwartenden Stillstandzeiten bei nicht optimaler Auslastung ist ein Kühlsystem notwendig, um Kraftstoffverluste im Stillstand zu minimieren und Methan-Emissionen zu vermeiden.

Bei grossen Erntemaschinen

Für grosse Traktoren, Mähdrescher und Feldhäcksler, die einen hohen Energieumsatz und lange Betriebsdauer aufweisen, wird die Gas-Diesel-Motorvariante (HPDI) vorgeschlagen. Damit Fahrten zum Nachtanken aus dem Feld heraus vermieden werden, ist die grösstmögliche Tankkapazität zu wählen. Dabei muss das Maschinengewicht beachtet werden. Bei Erntemaschinen ist ein Kompromiss zu finden zwischen grossem Kraftstofftank und kleinerem Erntegutbunker. Da in Maschinenhallen eine elektrische Versorgung vorhanden ist, wird ein elektrisches Kühlsystem empfohlen. Für Saison-Maschinen wird das Leeren des Kraftstofftanks am Ende der Saison empfohlen. Aufgrund der hohen Brandgefährdung wird auf eine Sicherheitsfackel verzichtet.

Grosse Forstmaschinen

Skidder, Forwarder und Harvester haben sowohl hohe Antriebsleistungen als auch lange Einsatzdauer. Der Energieumsatz ist entsprechend gross, folglich wird ein Gas-Diesel-Motorkonzept (HPDI) vorgeschlagen. Die Maschinen sollen mit dem grösstmöglichen Tank ausgestattet sein. Allerdings muss ein Kompromiss zwischen benötigter Tankkapazität und zulässigem Bodendruck gefunden werden. Für mögliche Stillstandzeiten ist ein Boiloff-Gas betriebenes Kühlsystem vorzusehen. Ein Abfackeln kommt im Wald nicht infrage.

Fazit

Methan kann eine CO2-neutrale Alternative zum Dieseltreibstoff sein - Voraussetzung ist, dass es nachhaltig gewonnen wurde. Mit ausgewählten Maschinenbeispielen zeigen die Forscher auf, welche Motorenkonzepte infrage kommen und welche Auswirkungen das grössere Tankvolumen auf das Maschinengewicht haben wird. Mehrgewicht oder Einsatzdauer stehen in direkter Konkurrenz zueinander.

Quelle: Schweizer Landtechnik | 14. Dezember 2018

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