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Alternative Kraftstoffe: Forschung für weniger Abgasschadstoffe

31.03.2014

Kraftstoffe aus Basis von Biomasse oder Erdgas können dazu beitragen, die CO2-Emission aus dem Straßenverkehr zu verringern. Allerdings stellt die veränderte chemische Zusammensetzung die Motorenentwickler vor eine neue Herausforderung: Sie müssen Motor und Abgasreinigungssysteme an die neuen Kraftstoffe anpassen. Neue Konzepte für das optimale Zusammenspiel von Motor und Kraftstoff stellten Wissenschaftler auf der Frühjahrstagung der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) vor.

Erdgasantriebe gelten als besonders klimafreundlich, weil bei der Verbrennung von Methan – dem Hauptbestandteil von Erdgas – rund 25 Prozent weniger Kohlendioxid (CO2) entsteht.

„Allerdings müssen wir unbedingt vermeiden, dass unverbranntes Methan in die Atmosphäre gelangt“, erläuterte Prof. Dr. Olaf Deutschmann, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Chemie am Karlsruhe Institut für Technologie. Methan ist mehr als 20-mal klimaschädlicher als Kohlendioxid. Er untersuchte daher, wie sich die Schadstoffkonversion in einem Abgaskatalysator verändert, wenn dieser mit Methan in Kontakt kommt.

Das überraschende Ergebnis: Wie schnell der Katalysator altert, hängt wesentlich damit zusammen, welche anderen Schadstoffe sich im Abgas befinden. Pures Methan lässt den Katalysator sehr schnell altern, schon nach 100 Betriebsstunden sinkt die Konversionsrate um 30 Prozent, während bei Anwesenheit von Stickoxiden (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) kaum Alterungserscheinungen nachzuweisen sind.

Enthält das Abgas jedoch auch Schwefeldioxid, sinkt die Konversionsrate bereits nach wenigen Stunden drastisch. Untersuchungen der gealterten Katalysatoren unter dem Raster-Elektronen-Mikroskop führten Deutschmann zu einer möglichen Erklärung der geringeren Aktivität: Nach der Alterung ist der Durchmesser der katalytisch wirkenden Partikel, die vor allem aus Platin und Palladium bestehen, deutlich gewachsen.

In den Partikeln legt sich das Palladium als Außenhaut um einen Platinkern – in Summe ist die aktive Oberfläche dadurch geringer. Weitere Forschungen zum Verständnis der Wirkmechanismen sollen nun dazu dienen, Katalysatormaterialen zu entwickeln, die auf den Erdgasbetrieb abgestimmt sind.

Verflüssigtes Erdgas, auch als LPG (Liquefied Petroleum Gas) oder Autogas bezeichnet, wird in einigen Ländern schon heute als gängiger Kraftstoff verwendet. Marco Günther vom Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der RWTH Aachen stellte umfangreiche Untersuchungen vor, die beweisen, dass die heutige DIN-Norm für Flüssiggas die Eigenschaften moderner Motoren nicht berücksichtigt.

Günther testete dafür drei verschiedene Einspritzsysteme und fünf verschiedene LPG-Qualitäten, die sich vor allem hinsichtlich des Propan- und Butangehaltes unterschieden. Es zeigte sich, dass der Wirkungsgrad des Motors bei hohem Propananteil im Gas deutlich besser ausfällt, weil sich die Verdichtung des Motors steigern lässt, ohne dass es zu unkontrollierten Selbstentzündungen („Klopfen“) kommt.

Um bis zu 26 Prozent ließe sich der Verbrauch so absenken, wenn das Brennverfahren entsprechend ausgelegt wird. Das Problem: Die in der geltenden Norm verwendete Kennzahl für die Klopffestigkeit ist für Flüssiggas nicht aussagekräftig, zudem wäre ein Mindestgehalt an Propan festzuschreiben. Deshalb plädiert der Wissenschaftler für einen neuen Kennwert, die Methanzahl, sowie einen Propangehalt von mindestens 40 Prozent.

Ähnliche Sorgen haben Ingenieure, wenn alkoholhaltige Biokraftstoffe in modernen Ottomotoren mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung eingesetzt werden sollen. Die gängigen Kennwerte zur Klopffestigkeit wie die Motoroktanzahl (MOZ) werden noch heute an einem Vergasermotor ermittelt. Sie berücksichtigen nicht, dass sich das Verdampfungsverhalten der Biokraftstoffe deutlich von dem des Ottokraftstoffes unterscheidet. Ein Team aus Wissenschaftlern der TU Graz und der TU Wien hat daher im Auftrag der FVV ein alternatives Verfahren erforscht.

Ihr Vorschlag: Der Kraftstoff – in der Regel eine Mischung aus Bio- und Ottokraftstoff – wird in einem Direkteinspritzer geprüft, der per Indizier-Messtechnik auf Klopfen überwacht wird. Die Verdichtung des Motors wird im Verlauf der Prüfung soweit erhöht, bis die gleiche Klopfintensität wie die eines Referenzkraftstoffs (ISO-Oktan) erreicht ist. Das Ergebnis wird als DOZ (Direkteinspritz-Oktan-Zahl) angegeben.

Dieselmotoren, die mit reinem Biodiesel betrieben werden, laufen Gefahr, erhöhte Konzentrationen an Abgasschadstoffen in die Umwelt abzugeben. Grund dafür ist eine Desaktivierung des Abgaskatalysators durch Fremdstoffe wie Eisen, Kupfer, Kalium, Phosphor und Schwefel. Bislang konnte die Verunreinigung des Katalysators nur in umfangreichen Langzeituntersuchungen ermittelt werden.

In einer gemeinsamen Forschungsarbeit haben das Institut für Technische Chemie der Universität Leipzig und das Deutsche Biomasse-Forschungszentrum nun erste Schritte für einen Schnelltest entwickelt. Dieser soll sowohl die rasche Alterung von Oxidations- als auch von SCR-Katalysatoren im Labor ermöglichen. Wie dramatisch das Problem in der Praxis ist, zeigten die zur Kontrolle des Testverfahrens durchgeführten Untersuchungen am Motorenprüfstand. Je nach Zusammensetzung des Kraftstoffs nahm die aktive Oberfläche des Oxidationskatalysators um bis zu 75 Prozent ab.

Weitere Arbeiten, die auf der FVV-Frühjahrstagung vorgestellt wurden, beschäftigten sich unter anderem mit einer schadstoffabsenkenden Wasserzumischung zum Dieselkraftstoff, der gezielten Analyse des Motorengeräusches sowie effektiveren Brennverfahren für Gasturbinen. Die Veranstaltung ist mit 450 Teilnehmern die wichtigste wissenschaftliche Tagung auf dem Gebiet des Motorenbaus.

Dipl.-Ing. Stefanie Jost-Köstering | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.fvv-net.de

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