Upload
trinhkhue
View
215
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Jürgen Krahl, Axel Munack, Olaf Schröder, Jürgen Bünger
Emissionen von Biodiesel und neuen Dieselkraftstoffen
Emissions from biodiesel and new diesel fuels
Zusammenfassung Es wurden verschiedene fossile und biogene Kraftstoffe hinsichtlich ihrer Emissionen unter-
sucht. Dabei handelte es sich um vier Biodieselqualitäten, die durch unterschiedliche Anteile
von Palm-, Raps- und Sojaölmethylester gewonnen wurden, einen Gas-to-Liquid-Kraftstoff
(GTL), die neu eingeführten Kraftstoffe V-Power Diesel von Shell und Ultimate Diesel aus
dem Hause Aral sowie zum Vergleich konventioneller Referenz-Dieselkraftstoff (DK).
Die Partikelmasse- und Stickoxidemissionen lagen bei der Verwendung von Dieselkraftstoff
und GTL unterhalb der Grenzwerte. Der GTL-Kraftstoff bewirkte eine Absenkung dieser
Emissionen im Vergleich zu DK. V-Power Diesel und Ultimate Diesel hatten keine Auswir-
kung auf die Stickoxidemissionen, senkten jedoch die Partikelemissionen leicht ab. Die Ver-
wendung von Biodiesel senkte ebenfalls die Partikelmasseemissionen deutlich, führte jedoch
zu einer Erhöhung der Stickoxidemissionen, so dass bei drei der vier Qualitäten der Abgas-
grenzwert überschritten wurde, wohingegen er mit einer Charge eingehalten werden konnte.
Bei den Partikelmasse- und Stickoxidemissionen unterschieden sich die Biodieselqualitäten
untereinander beträchtlich.
Die partikulären Emissionen von RME, V-Power Diesel und Ultimate Diesel wurden im Ver-
gleich zum DK auf ihre Mutagenität untersucht. Alle drei Kraftstoffe wirkten etwa 40 - 60%
weniger mutagen als DK.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Kraftstoffformulierung einen erheblichen Ein-
fluss auf die Emissionen hat. Dieses Ergebnis ist insbesondere für Biodiesel von großer
Bedeutung, weil das Ergebnis der Testreihe deutliche Hinweise darauf gibt, dass das Poten-
zial der Kraftstoffoptimierung bei Biodiesel mit Blick auf die NOx-Emissionen noch nicht er-
schöpft ist.
Einleitung und Zielsetzung Der Absatz von Biodiesel (Fettsäuremethylester, FAME - in Deutschland meist Rapsölme-
thylester, RME) hat sich in den letzten Jahren schrittweise bis auf geschätzte 2.400.000 t im
Jahre 2006 [1] erhöht. Biodiesel wird flächendeckend in Deutschland an rund 1900 Tankstel-
len angeboten. Als Auslöser für diese Entwicklung gilt die Richtlinie 2003/30/EG des Europä-
ischen Parlaments zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen [2]. Ziel dieser Richtli-
nie ist die Erhöhung des Anteils von Biokraftstoffen im Verkehrssektor, beginnend bei 2 % im
Jahre 2005 bis hin zu 5,75 % im Jahre 2010. Mit Blick auf die Endlichkeit der fossilen Res-
sourcen wird dadurch die Entwicklung der nachhaltigen Mobilität gefördert. Bei der verstärk-
ten Nutzung nachwachsender Rohstoffe sind außerdem positive ökologische Aspekte – wie
zum Beispiel die Emissionsreduktion klimarelevanter Gase – aber auch die verantwortliche
Pflege einer ländlichen Kulturlandschaft sowie der Erhalt landwirtschaftlicher Strukturen von
großer Bedeutung.
Prinzipbedingt entstehen bei der motorischen Nutzung biogener Kraftstoffe in Verbrennungs-
kraftmaschinen auch Produkte der unvollständigen Verbrennung sowie Stickoxide (NOx).
Letztere führen bei Biodiesel durchschnittlich zu höheren Werten als bei fossilem Diesel-
kraftstoff [3].
Um den NOx-Nachteil von Biodiesel zu kompensieren, wurde unlängst ein Biodieselsensor
entwickelt, der im Kraftstoffsystem das jeweils vorliegende Gemisch aus Biodiesel und Die-
selkraftstoff (DK) erkennt und dem Motorsteuergerät eine entsprechende Information gibt [4,
5]. Somit ist es prinzipiell möglich, durch Variation der Einspritzung die Stickoxide bei Biodie-
selbetrieb auf dem Niveau von DK zu halten [6].
Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen war es, darüber hinaus auch kraftstoffseitige
Emissionsminderungspotenziale durch Modifizierung des Kraftstoffs aufzuzeigen. Dabei
standen – wie schon bei der Entwicklung des Biodieselsensors – die Stickoxide im Mittel-
punkt des Interesses.
Für die Versuchsreihen wurden Kraftstoffmischungen aus Palmölmethylester (PME), Soja-
methylester (SME) und RME, sowie reiner RME gemäß DIN EN 14214 und Referenzdiesel-
kraftstoff gemäß DIN EN 590 verwendet. Bei allen Mischungen wurde darauf geachtet, dass
die erhaltenen FAME-Lose weitestgehend der Biodieselnorm DIN EN 14214 entsprachen.
Des Weiteren wurden ein neuartiger Gas-to-Liquid-Kraftstoff (GTL) – als Prototyp für zukünf-
tige Biomassekraftstoffe (BTL) – und die neuen Kraftstoffe von Shell und Aral (V-Power Die-
sel und Ultimate Diesel) in die Untersuchungen einbezogen.
Versuchstand und Kraftstoffe
Als Versuchsmotor diente ein Mercedes-Benz OM 906 Motor. Der Sechszylindermotor hat
eine Leistung von 205 kW und ist nach Euro III zertifiziert. Weitere Motordaten sind in Tabel-
le 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Kenndaten des Versuchsmotors Table 1: Characteristics of the test engine
Zylinderhub 130 mm
Zylinderbohrung 102 mm
Zylinderanzahl 6
Hubvolumen 6370 cm3
Nenndrehzahl 2300 min-1
Nennleistung 205 kW
Max. Drehmoment 1100 Nm / 1300 min-1
Abgasnorm Euro 3
1002
1
6
5
7
8
4
3
9
10
12
13
11
80
60
40
40
Drehzahl/Nenndrehzahl [%]Engine speed [%]
Teill
astv
erhä
ltnis
[%]
Load
[%]
60 80 100
20
015%
8%
5%
5%
5%
8%
5%
5%
5%
9%
10%
10%
10%
additional modes determined by certification personnel
zusätzlich freiwählbare Prüfpunkte
Bild 1: Lastpunkte im 13-Phasen-Test (ESC) Figure 1: Modes of the 13-mode test (ESC)
Eine Wirbelstrombremse nahm die Leistung des Motors ab. Dabei wurden die 13 Phasen
des ESC-Tests durchfahren. Die Messung der gasförmigen Abgaskomponenten erfolgte aus
dem Rohabgas und die Partikelprobenahme nach einer Teilstromverdünnung jeweils in der
letzten Minute jeder Phase. Dabei wurde zur Partikelmassebestimmung ein Teilstrom des
zuvor verdünnten Abgases über ein teflonbeschichtetes Glasfaserfilter (T60A20 der Firma
Pall) geleitet. Die Probenahmezeit blieb dabei konstant, während der Volumenstrom den
Wichtungs- und Verdünnungsverhältnissen der einzelnen Phasen angepasst wurde. Für
jeden Kraftstoff fand mindestens eine Dreifachbestimmung der Emissionswerte statt.
Unterschiedliche Biodieselqualitäten wurden aus Raps-, Soja- und Palmölmethylester herge-
stellt. In reiner Form erfüllte nur RME die DIN EN 14214. Sojaölmethylester (mit tendenziell
höherer Iodzahl als RME) und Palmölmethylester (mit tendenziell kürzerer Kettenlänge als
RME) wurden soweit mit Rapsölmethylester gemischt, dass die daraus resultierenden Bio-
dieselmischungen noch innerhalb der Norm lagen (Ausnahme: Oxidationsstabilität bei FAME
1 und 4). Die verwendeten FAME-Qualitäten sind in Tabelle 2 spezifiziert. Sie unterschieden
sich hauptsächlich in der Iodzahl und der Kältestabilität. Die Kennwerte des Referenz-DK
und des GTL-Kraftstoffs sind in Tabelle 3 gezeigt. Bei GTL ist der hohe CFPP-Wert auffällig,
der ähnlich wie der Dichtewert den akademischen Ansatz der Einbeziehung dieses Kraft-
stoffs in die Untersuchungen unterstreicht.
Die für die Mutagenitätsuntersuchungen verwendeten Kraftstoffe wurden nicht vollständig
analysiert. DK und RME entstammen aus anderen Chargen als bei den Vergleichsuntersu-
chungen mit FAME 1 bis 4. Dennoch wurden sie gemäß der gültigen Normen bezogen. V-
Power Diesel und Ultimate Diesel hatten Tankstellenqualität. Die Analysedaten sind in Tabel-
le 3 gezeigt.
Ergebnisse
Der Vergleich von Biodiesel mit Dieselkraftstoff bestätigt die bekannten Tendenzen. Die
Kohlenmonoxid-, die Kohlenwasserstoff- und Partikelmasseemissionen verringern sich bei
der Verwendung von Biodiesel; die Stickoxidemissionen steigen an. Im Einzelnen verhielten
sich die Emissionen wie folgt:
Die Kohlenmonoxidemissionen (CO) lagen für alle Kraftstoffe weit unter dem Grenzwert von
2,1 g/kWh für Euro-3-Motoren. Es wurde deutlich, dass alle FAME-Qualitäten die Kohlenmo-
noxidemissionen gegenüber Dieselkraftstoff um ca. 40 % absenken. GTL, Ultimate Diesel
und V-Power Diesel führten dagegen zu einer Erhöhung der Emissionen sogar über das
Niveau von DK hinaus (Bild 2).
Die vier FAME-Qualitäten unterschieden sich untereinander nur unwesentlich. Für FAME 1
und 3 waren geringfügige Minderungen gegenüber FAME 2 und 4 zu erkennen, die es je-
doch nicht erlauben, auf Vorteile für diese zu schließen.
Auch bei den in Bild 3 gezeigten Kohlenwasserstoffemissionen (HC) weisen die FAME-
Qualitäten etwa 30% geringere Emissionen auf als DK. Dabei unterscheiden sie sich unter-
einander kaum. Leichte Vorteile kommen bei FAME 1 und 3 zum Ausdruck. GTL und Ultima-
te Diesel liegen ca. 20 %, V-Power Diesel ca. 10 % unter den Emissionswerten von Diesel-
kraftstoff, aber über den pflanzenölstämmigen Kraftstoffen. Insgesamt lagen alle Kraftstoffe –
analog zu den Kohlenmonoxidemissionen – deutlich unter dem Euro-3-Grenzwert von 0,66
g/kWh.
Tabelle 2: Eigenschaften der Biodieselkraftstoffe mit Grenzwerten nach DIN EN 14214 Table 2: Characteristics of the biodiesel fuels and limits according to DIN EN 14214
Resultat Einheit Grenzwerte Eigenschaft
FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 Min. Max.
Rapsölmethylester 75 100 45 60 Vol.-%
Sojaölmethylester 25 0 0 12,5 Vol.-%
Palmölmethylester 0 0 55 27,5 Vol.-%
Dichte (15 °C) 0,8836 0,8832 0,8789 0,8818 g/mL 0,86 0,900
Kin. Viskosität (40 °C) 4,345 4,333 4,516 4,459 mm²/s 3,5 5,0
Flammpunkt > 171 > 171 > 171 > 171 °C 120
CFPP -10 -15 -2 -6 °C 0/-20
Wassergehalt 283 170 214 381 mg/kg 500
Gesamtverschmutzung 4 2 3 1 mg/kg 24
Oxidationsstabilität 4,73 8,37 8,00 1,35 h 6
Neutralisationszahl 0,132 0,132 0,480 0,28 mg KOH/g 0,5
Monoglyceride 0,46 0,61 0,25 0,34 Gew. % 0,8
Diglyceride 0,07 0,09 0,04 0,07 Gew. % 0,2
Triglyceride < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,005 Gew. % 0,2
Freies Glycerin < 0,005 < 0,005 < 0,005 < 0,01 Gew. % 0,02
Gesamtglyceringehalt 0,13 0,17 0,07 0,11 Gew. % 0,25
Iodzahl 117 112 82 100 - 120
Phosphorgehalt < 1 < 1 < 1 < 1 mg/kg 10
Alkaligehalt < 1 < 1 < 1 < 1 mg/kg 5
Seifengehalt < 5 7 < 5 < 5 mg/kg
Erdalkaligehalt < 1 < 1 < 1 < 1 mg/kg 5
Estergehalt 99,3 99,0 99,8 97,7 Gew. % 96,5
Tabelle 3: Eigenschaften von DK und GTL sowie Shell V-Power Diesel und Aral Ultimate
Diesel mit Grenzwerten nach DIN EN 590 Table 3: Characteristics of DK and GTL as well as Shell V-Power diesel fuel and Aral
Ultimate diesel fuel and limits according to DIN EN 590
Resultat Einheit Grenzwerte Eigenschaft
DK GTL V-Power Ultimate Min. Max.
Dichte (15 °C) 0,8345 0,7868 0,8326 0,8324 g/mL 0,820 0,845
Kin. Viskosität (40 °C) 3,474 3,6 3,168 3,837 mm²/s 2,0 4,5
Flammpunkt 100 126 70 101 °C 55
CFPP -20 +3 -19 -9 °C 0/-201)
Wassergehalt 30 48 65 24 mg/kg 200
Gesamtverschmutzung 7 23 1 mg/kg 24
Oxidationsstabilität 1 2,2 h2) 2,9 0,3 g/m3 25
Neutralisationszahl 0,0 0,039 mg KOH/g
Schwefelgehalt 35 <2 5,9 1 mg/kg 350
Koksrückstand <0,01 0,03 0,05 <0,01 Gew. % 0,3
Monoaromaten 16,4 Vol. %
Diaromaten 3,4 Vol. %
Polyaromaten 0,01 2,4 0,9 Vol. % 1)Sommer-/Winterqualität 2)nach EN 14112
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
DK FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 GTL UltimateDiesel
V-Power Diesel
Spe
zifis
che
CO
-Em
issi
on [g
/kW
h]
Spe
cific
CO
em
issi
on [g
/kW
h]
Bild 2: Spezifische Kohlenmonoxidemissionen im 13-Phasen-Test (ESC) Figure 2: Specific emissions of carbon monoxide in the 13-mode test (ESC)
0
0,004
0,008
0,012
0,016
0,02
DK FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 GTL UltimateDiesel
V-Power Diesel
Spez
ifisc
he H
C-E
mis
sion
[g/k
Wh]
Sp
ecifi
c H
C e
mis
sion
[g/k
Wh]
Bild 3: Spezifische Kohlenwasserstoffemissionen im 13-Phasen-Test (ESC) Figure 3: Specific emissions of hydrocarbons in the 13-mode test (ESC)
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
DK FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 GTL UltimateDiesel
V-Power Diesel
Spez
ifisc
he P
M-E
mis
sion
[g/k
Wh]
Sp
ecifi
c PM
em
issi
on [g
/kW
h]
Bild 4: Spezifische Partikelmasseemissionen im 13-Phasen-Test (ESC) Figure 4: Specific emissions of particulate matter in the 13-mode test (ESC)
Der in Bild 4 gezeigte Wert der Partikelmasseemission (PM) war bei Dieselkraftstoff am
höchsten, wies aber auch die größte Messwertstreuung auf. GTL zeigte hier einen Vorteil
gegenüber DK in Höhe von ca. 20%. V-Power Diesel ergab fast den gleichen Emissionsvor-
teil wie GTL. Mit Ultimate Diesel konnte nochmals eine leichte Verringerung der Emissionen
beobachtet werden. Bei diesen Messungen ist jedoch ein großer Fehlerbalken zu beachten.
Die Emissionen der FAME-Qualitäten lagen nochmals deutlich tiefer. Sie unterschieden sich
im Gegensatz zu den Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen untereinander
erheblich. So emittierte FAME 2 etwa 170% der Masse von FAME 4. FAME 3 und 4 waren
FAME 1 und insbesondere FAME 2 deutlich überlegen. Der Grenzwert (Euro 3) von 0,1
g/kWh wurde von allen im Test verwendeten Kraftstoffen eingehalten.
Die Partikelanzahlverteilung wurde mit einen elektronischen Niederdruckimpaktor (ELPI) der
Firma Dekati und einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) der Firma TSI ermittelt.
Aufbau und Funktionsprinzip dieser Geräte sind von Bischof und Horn [7] beschrieben. Für
V-Power Diesel und Ultimate Diesel wurde keine Untersuchung der Partikelgrößenverteilung
mittels ELPI vorgenommen.
Es zeigte sich, dass hinsichtlich der Partikelanzahl die Partikelgrößen unter 1 µm dominier-
ten, so dass die größeren nicht in die Auswertung mit aufgenommen wurden.
Bei den ELPI-Ergebnissen waren wiederum die beiden kleinsten Größenklassen 28 - 55 nm
und 55 - 94 nm die dominierenden, während die Anzahl in den größeren Klassen logarith-
misch abnahm (Bild 5). Die Biodiesel-Lose unterschieden sich in ihrer Partikelanzahlemissi-
on nur geringfügig voneinander; höhere Emissionen traten bei DK und GTL auf.
28-5
5
55-9
4
94-1
56
156-
264
264-
386
386-
619
619-
957
FAME 1
FAME 2
FAME 3
FAME 4
DKGTL
Größenklasse [nm]Size range [nm]
Spe
zifis
che
Par
tikel
anza
hl [1
/kW
h]S
peci
fic n
umbe
r of p
artic
les
[1/k
Wh] 1014
1013
1012
1011
1010
109
Bild 5: Partikelanzahlverteilung im 13-Phasen-Test (ESC), gemessen mit ELPI Figure 5: Particle number distribution in the 13-mode test (ESC), measured with ELPI
Die SMPS-Ergebnisse zeigten oberhalb von 40 nm den gleichen Trend wie die ELPI-
Ergebnisse (Bild 6). Die Partikelanzahl von GTL lag jedoch leicht unterhalb der von DK.
Unterhalb von 30 nm ändert sich das Bild deutlich. Hier nimmt die Partikelanzahl von DK und
GTL leicht ab. Für die zwei hier untersuchten Biodiesel-Lose wurde dagegen eine um eine
Zehnerpotenz erhöhte Partikelanzahl von Partikeln unter 20 nm gemessen. Die FAME 2 und
4 unterschieden sich dabei lediglich in einem kleinen Bereich von ca. 15 bis 30 nm.
Die Ergebnisse von ELPI- und SMPS-Messungen waren jeweils reproduzierbar. Es ist auf
der Basis der verfügbaren Daten nicht möglich, eine abschließende Bewertung der
Feinstpartikelemissionen für die getesteten Kraftstoffe durchzuführen. Insbesondere bleibt
unklar, worauf der mit dem SMPS gemessene Anstieg der Feinstpartikeln bei den FAME-
Qualitäten zurückzuführen ist. Ob es sich dabei um Ruß oder unverbrannten Kraftstoff han-
delt, soll Gegenstand weiterführender Untersuchungen sein.
1,0E+12
1,0E+13
1,0E+14
1,0E+15
1,0E+16
10 100 1000Elektrischer Mobilitätsdurchmesser [nm]
Electric mobility diameter [nm]
Par
tikel
anza
hl [1
/kW
h]N
umbe
r of p
artic
les
[1/k
Wh]
DK
FAME 2
FAME 4
GTL
Ultimate Diesel
V-Power Diesel
1012
1013
1014
1015
1016
Bild 6: Partikelanzahlverteilung im 13-Phasen-Test (ESC), gemessen mit SMPS Figure 6: Particle number distribution in the 13-mode test (ESC), measured with SMPS
Zur Untersuchung der Mutagenität des Abgaspartikulats für vier Kraftstoffe (DK, V-Power
Diesel, Ultimate Diesel, RME) wurden jeweils 4 Glasfaser-Filterpaare und ein Referenzfilter-
paar, die im ESC-Test belegt worden waren, untersucht. Die auf den Filtern gesammelten
Partikulate wurden einer Soxhlet-Extraktion mit Dichlormethan unterzogen [8]. Das Filterge-
wicht wurde vor und nach der Extraktion ermittelt und die lösliche Fraktion berechnet. Die
gewonnenen Extrakte wurden im Rotationsverdampfer bis zur Trockne eingedampft. Für den
Mutagenitätstest wurde der eingetrocknete Extrakt in 4 ml DMSO gelöst.
Der Salmonella typhimurium mutagenicity assay wird nach seinem Entwickler allgemein
auch Ames-Test [9] genannt und deckt die mutagenen Eigenschaften eines weiten Spekt-
rums von chemischen Substanzen und Gemischen auf. Der Ames-Test ist das weltweit am
häufigsten eingesetzte in-vitro-Testverfahren (OECD-Methode 471), um die Mutagenität
komplexer Gemische, wie z.B. von Verbrennungsprodukten, zu untersuchen. Die hier vorlie-
gende Studie benutzte das revidierte Standardprotokoll von Maron und Ames aus dem Jahr
1983 [10], das auch in früheren Untersuchungen schon erfolgreich eingesetzt wurde [11, 12].
Die Kraftstoffe Ultimate Diesel und RME wirkten um mehr als 50% weniger mutagen im
Teststamm TA98 als DK (Bild 7). Am stärksten wurde die Gentoxizität durch RME gesenkt.
Die Verwendung von V-Power Diesel als Kraftstoff verminderte die Mutagenität um etwa
40%. Der Einsatz eines metabolischen Aktivierungssystems (S9) senkte die Mutagenität der
Extrakte aller vier Kraftstoffemissionen etwa gleich stark.
0
1000
2000
3000
4000
DK UltimateDiesel
V-PowerDiesel
RME
Mut
atio
nen
pro
m3 A
bgas
[-]
Mut
atio
ns p
er m
3 exh
aust
gas
[-] TA98 - S9
TA98 + S9
Bild 7: Mutagenität der partikulären Motoremissionen für vier Kraftstoffe im 13-Phasen-Test
(ESC) - (mit [+S9] und ohne [-S9] metabolische Aktivierung) Figure 7: Mutagenicity of the emissions of particulate matter for four fuels in the 13-mode
test (ESC) - (with [+S9] and without [-S9] metabolic activation)
Diese Ergebnisse zeigen, dass sich die erbgutschädigenden und damit auch die krebserre-
genden Wirkungen von Dieselmotoremissionen durch eine Optimierung der Kraftstoffzu-
sammensetzung effektiv absenken lassen.
In Bild 8 sind die Ergebnisse der NOx-Messungen gezeigt. Der Grenzwert (Euro 3) für die
Stickoxidemissionen in Höhe von 5 g/kWh wurde von den fossilen Dieselkraftstoffen ein-
gehalten, wobei GTL gegenüber DK, V-Power Diesel und Ultimate Diesel eine Absenkung
um ca. 15 % zeigte. Die FAME-Qualitäten 1, 2 und 3 lagen über dem Grenzwert; FAME 4
unterschritt ihn.
0
1
2
3
4
5
6
DK FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 GTL UltimateDiesel
V-PowerDiesel
Spe
zifis
che
NO
x Em
issi
on [g
/kW
h]S
peci
fic N
Ox e
mis
sion
[g/k
Wh]
Bild 8: Spezifische Stickoxidemissionen im 13-Phasen-Test (ESC) Figure 8: Specific emissions of nitrogen oxides in the 13-mode test (ESC)
An dieser Stelle wird deutlich, dass durch Variation der Kraftstoffkomposition für die Biokraft-
stoffe eine Emissionsminderung von über 10 % erreichbar ist. Dadurch rückt die Möglichkeit
einer Einhaltung des Grenzwertes ohne motorische Maßnahmen in greifbare Nähe.
Somit ist das Potenzial zur Verbesserung der Abgasqualität von Biodiesel durch eine opti-
mierte Kraftstoffformulierung tendenziell aufgezeigt. Der zielorientierten Zusammensetzung
des Kraftstoffs kann somit eine ähnlich große Bedeutung zukommen wie der motorischen
Adaption der Einspritzbedingungen.
Zum heutigen Zeitpunkt ist dieses jedoch nur beschreibend und noch nicht erklärend zu
dokumentieren. Es zeigt sich jedoch, dass eine systematische Kraftstoffforschung in der
wechselseitigen Optimierung von Motor und Kraftstoff ein wesentliches Element zur Emissi-
onsminderung darstellt, dem in der Vergangenheit zu wenig Beachtung geschenkt wurde.
Abschließende Bemerkungen Es ist auf der Basis der verfügbaren Daten nicht möglich, eine abschließende Bewertung der
Feinstpartikelemissionen für die getesteten Kraftstoffe durchzuführen. Insbesondere bleibt
unklar, worauf der mit dem SMPS gemessene Anstieg der Feinstpartikeln bei den FAME-
Qualitäten zurückzuführen ist. Ob es sich dabei um Ruß oder unverbrannten Kraftstoff han-
delt, wird Gegenstand weiterführender Untersuchungen sein.
Die Ergebnisse der Ames-Tests zeigen, dass sich die erbgutschädigenden und damit auch
die krebserregenden Wirkungen von Dieselmotoremissionen durch eine Optimierung der
Kraftstoffzusammensetzung effektiv absenken lassen.
Hinsichtlich der NOx-Emissionen wird deutlich, dass durch Variation der Kraftstoffkomposition
für die Biokraftstoffe eine Emissionsminderung von über 10 % erreichbar ist. Dadurch rückt
die Möglichkeit einer Grenzwerteinhaltung ohne motorische Maßnahmen in greifbare Nähe.
Durch diese Untersuchungen ist das Potenzial zur Verbesserung der Abgasqualität von
Biodiesel durch eine optimierte Kraftstoffformulierung tendenziell aufgezeigt. Der zielorien-
tierten Zusammensetzung des Kraftstoffs kann somit eine ähnlich große Bedeutung zukom-
men wie der motorischen Adaption der Einspritzbedingungen. Zum heutigen Zeitpunkt ist
dieses allerdings nur beschreibend und noch nicht erklärend zu dokumentieren. Es zeigt sich
jedoch, dass eine systematische Kraftstoffforschung in der wechselseitigen Optimierung von
Motor und Kraftstoff ein wesentliches Element zur Emissionsminderung darstellt, dem in der
Vergangenheit zu wenig Beachtung geschenkt wurde.
Danksagung Die Autoren danken der Arbeitsgemeinschaft Qualitätsmanagement Biodiesel e.V. (AGQM)
für die freundliche Förderung der Untersuchungen von DK und den vier Biodiesel-Qualitäten.
Literatur [1] D.Bockey, Union zur Förderung von Oel- und Proteinpflanzen e.V., persönliche Mittei-
lung, 2006.
[2] Europäisches Parlament (2003): Richtlinie 2003/30/EG Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen
[3] Krahl J, Munack A, Bahadir M, Schumacher LG, Elser N (1996): Review: Utilization of rapeseed oil, rapeseed oil methyl ester or diesel fuel: Exhaust gas emissions and esti-mation of environmental effects. SAE Paper 962096
[4] Munack A, Krahl J, Marto A, Bantzhaff R (2003): Grundlegende Untersuchungen zu einem Biodieselsensor, Entwicklung eines Prototyps und Herstellung der Serienreife. VDI-Berichte 1798, S. 331-336
[5] Bantzhaff R, Marto A, Krahl J, Munack A (2004) Verfahren und Schaltungsanordnung zum Erfasen und/oder Bestimmen der Beschaffenheit eines Mediums. München: Deut-sches Patent und Markenamt, 7 S., Patent Nr. 10258417.
[6] Blaßnegger J, Schlag S (2002): Biodiesel in modernen Nutzfahrzeugmotoren. Land-bauforschung Völkenrode, Sonderheft 239 63-68
[7] Bischof OF, Horn H-G (1999): Zwei Online-Messkonzepte zur physikalischen Charak-terisierung ultrafeiner Partikel in Motorabgasen am Beispiel von Dieselmotoren. MTZ 60, 226-232
[8] Claxton LD (1983): Characterization of automotive emissions by bacterial mutagenesis bioassay: a review. Environ Mutagen 5, 609 - 631
[9] Ames BN, Lee FD, Durston WE (1973): An improved bacterial test system for the de-tection and classification of mutagens and carcinogens. Proc Natl Acad Sci USA 70, 782 - 786
[10] Maron DM, Ames BN (1983): Revised methods for the Salmonella mutagenicity test. Mutat Res 113, 173 - 215
[11] Bünger J, Krahl J, Franke HU, Munack A, Hallier E (1998): Mutagenic and cytotoxic effects of exhaust particulate matter of biodiesel compared to fossil diesel fuel. Mutat. Res 415, 13 - 23
[12] Bünger J, Müller MM, Krahl J, Baum K, Weigel A, Hallier E, Schulz TG (2000): Mutagenicity of diesel engine particles from two fossil and two plant oil fuels. Mutagenesis 15, 391 - 397
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Jürgen KrahlAxel Munack
BiodieselBiodiesel
Ein Meilenstein auf dem Weg zur Ein Meilenstein auf dem Weg zur nachhaltigen Mobilitnachhaltigen Mobilitäätt
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Einleitung Analytik und motorseitige Optimierungsstrategien
Kraftstoffseitige OptimierungsstrategienZusammenfassung
BiodieselEin Meilenstein auf dem Weg Ein Meilenstein auf dem Weg
zur nachhaltigen Mobilitzur nachhaltigen Mobilitäätt
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Auswahl verschiedener Prognosenfür die Erdölproduktion
nach P. Kehrer, 2002
1950 2000 2050 2100 21500
1
2
3
4
5
6
7Odell 2000, conv. + non-conv.
Odell 2000, conv. only
Campbell 2000 incl. heavyEdwarsd 1997, conv. + non-conv.
Hiller 1999, conv. onlyEdwards 1997, conv. only
Hiller 1999, conv. + non-conv.
Vahrenholt 1998, conv.+ non-conv.
WEC 1999, conv. + non-c.
US-DOE20
00
EIA 20
00
Gt/a
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Weltweite Erdölproduktion 1930 - 2050
1930 1950
nach UDALL and ANDREWS, 1999 und HILLER, 1999
Max. Förderung zwischen2010 - 2020 erwartet
2000 2050
Konventionelles Erdöl(inkl. sehr geringer Anteilean Schweröl)
Erwarteterdepletion mid-point
1
2
3
4
Gt/a
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Entwicklung der Rohölpreise:1960 - 2005
Quelle Tecson
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Die Dynamik der WeltagrarwirtschaftEntwicklung der Agrarproduktion
1992/94 bis 2001/03 (in %)
+20+20+28+20+4-15-5Zucker
+70+43+29+86+16+30+22Ölfrüchte
+34+7+19+27+5-2+14Sonstige Getreide
+49+5+31+27-20+6+12Weizen
OzeanienAsienAfrikaSüd- u. Mittel-amerika2)
Nord-amerika
Übriges Europa1)EU-15
1) Inkl. Russland und MOEL; 2) Inkl. Karibik
Quelle: FAOSTAT
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
“It has been proved that Diesel engines
can be worked on earth-nut oilwithout any difficulty“
Rudolph Diesel: The Diesel Oil-Engine. Engineering Vol. 93, pp. 395 - 406, 1912.
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Stoffkreislauf bei der Verwendung von Raps als Energieträger
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Verkrustung an der Einspritzdüse nach 50-stündigem Motorbetrieb
mit Pflanzenöl
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Dieselkraftstoff BiodieselLaufzeit: 300 h
Rapsöl, rohLaufzeit: 5 h
Vergleich der Kolbenoberfläche nach Motorbetrieb mit
unterschiedlichen Kraftstoffen
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Motorschaden: Ölwanne OM Serie 500
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Motorschaden: Ölwanne OM Serie 500
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Mutagenität der Partikelmasse aus der Verbrennung von Rapsöl
Mercedes Benz OM 906 LA, Euro III, ESC-Test
Rapsöl
TA98+S9
Mut
atio
nen
[x10
/m A
bgas
]3
3
050
100150200250300350
400
DK
TA98-S9
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Ansaugen Verdichten und Einspritzen Arbeiten Ausstoßen
Arbeitsspiel des Dieselmotors
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Arbeitsspiel des Dieselmotors
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Moderne Möglichkeiten zur Nutzung von Rapsöl als Kraftstoff
Anpassung der Motoren an das Rapsöl
Anpassung des Rapsöls an Motoren
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Umesterung von Pflanzenöl zu Fettsäuremethylester (FAME)
OC
R1
HCKatalysator
H3C
H3C
H3C
+
O
H2CO
HC
H2C
H2C
H
OC
R2 + 3 CH3OH
O
OC
R3
O
H2C
OH
OH
OC
R1
O
OC
O
OC
R3
O
R2
Triglyzerid + 3 Methanol 1 Glyzerin + 3 Fettsäuremethylester
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Kennwerte von Dieselkraftstoff, Rapsöl und Biodiesel
5451>51CZZündwilligkeit(Centanzahl)
6,3 – 8,1981,2 – 10mm2/skin. Viskosität bei 20°C
32,734,435,2MJ/lvol. Heizwert
0,880,910,81 – 0,85kg/lDichte bei 20°C
37,237,640,6 – 44,4MJ/kgHeizwert
BiodieselRapsölraffiniert
Diesel-kraftstoff
Kennwert
1,2 – 10 6,3 – 8,1
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Maßgabe an die Technik
„Die ökonomischen, ökologischen und sozialen Aspekte
dürfen weder voneinander abgetrennt noch
gegeneinander ausgespielt werden.“Sachverständigenrat für Umweltfragen, 1994
Nachhaltigkeit
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Energiebilanz von Rapsölmethylester (RME)
L adw
i rts
haft
c
Tei l
ff. a
Um
et
r g.
e
energie (P.)
Sonnen-
156 GJ/ha
Energiefür technische
17,7 GJ/ha
Prozess-
4,6 GJ/ha
Rapsstroh
Rapssaat
Fabrik (P: 0,3 GJ/ha)
Rapsöl, roh49,6 GJ/ha
nicht mehr
gebundene
energie
Rapsschrot
nutzbare Energie
Mittel
28,2 GJ/ha
78,2GJ/ha
77,8GJ/ha
23,1 GJ/ha
Rapsöl,
48,1 GJ/ha
Fettbegleitstoffe undÖlverluste 1,5 GJ/ha
Entschleimung undEntsäuerung (P: 0,5 GJ/ha)
n
r
gesamte
steilraffiniert
Methanol2,7 GJ/ha
Umesterung(P: 0,4 GJ/ha)
Glycerin2,2 GJ/ha
RME47,8 GJ/ha
lÖ
lmhü
e
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Potenziale und derzeitige Nutzung als Kraftstoff für verschiedene
Biomasse-Ausgangsstoffe
Lignozellulose-haltigeBiomasse
Ausgangsstoff Brennstoffpotenzial [PJ/a]
Kraftstoffpotenzial [PJ/a]
Nutzung [PJ/a]
130178
79 – 130156584
147
StrohWaldrestholzSchwachholzZuwachsIndustrierestholzLandschaftspflegeAltholz
Summe Holz/Stroh: 188 - 281FT-Kraftstoffe
752 - 803
*Anbau auf 2 Mio ha
Energiepflanzen* 83 - 148< 333 - 422
≈0
Winter-Weizen* EtOHFT-Kraftstoffe
< 285 12036 - 51
Reststoffe 9665 – 1136 – 126 – 12
1222
15 - 21
ExkrementeErnterückständeGew.-/Ind.-AbfälleLandschaftspflanzenorg. SiedlungsabfälleKlärgasDeponiegas
Summe org. Reststoffe: 110 - 202Biogas
222 - 288
Energiepflanzen* 118 - 165< 236
≈0
nach Kaltschmitt et al., 2002 sowie eig. BerechnungenStand: Sept. 2006
Im günstigsten Fall ergibt sich daraus ein Kraftstoffpotenzial von 678 PJ/a (entsprechend 25 % des deutschen Endenergieverbrauchs im Verkehrssektor)
Zuckerrüben* 195EtOH< 195EtOH 7
ETBE?
Winter-Raps* RME FT-Kraftstoffe
RMERapsöl
< 308 10226 - 36
687,6
Öl-, Zucker-,stärkehaltige Biomasse
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Biodiesel in DeutschlandAuswirkungen der EU-Förderrichtlinie
für Biokraftstoffe
0,5 / 0,44
0,7
30,1
2 %
2005
1,5 / 1,3[106 ha]Flächen-bedarf3
2,1[Mt]Biodiesel-bedarf2
31,3[Mt]DK-Verbrauch1
5,75 %Mengenziel
2010
1 Mineralölwirtschaftsverband (MWV)2 Heizwerte: DK 43 MJ/kg; RME 37 MJ/kg3 Erträge 1,4 t/ha / 1,6 t/ha
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Einleitung Analytik und motorseitige Optimierungsstrategien
Kraftstoffseitige OptimierungsstrategienZusammenfassung
BiodieselEin Meilenstein auf dem Weg Ein Meilenstein auf dem Weg
zur nachhaltigen Mobilitzur nachhaltigen Mobilitäätt
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Argumente für den Anbau nachwachsender Rohstoffe
Schonung fossiler Ressourcen
?
Aufweitung der Fruchtfolge
Schaffung von Arbeitsplätzen
Schonung der Umwelt
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Schema des analytischen Labors an der FAL
Wirbelstrombremse
Motor
Limitierte AbgaskomponentenFID: HCCLD: NOxNIR: CO
Verdünnungstunnel
Partikelmasse
HPLC
HPLC
MSGC
GC
Polyzyklische aromatischeKohlenwasserstoffe (PAK)
Aufarbeitung
UV/DAD
FLD
FID
FTIR
TCT
Aldehyde
SMPS
Stickoxide/Methan/Ammoniak
Partikelgrößen-/Partikelanzahlverteilung
Benzol
Ozonvorläufer
Aufarbeitung
Waschflaschen
Gasbeutel
BernerImpaktor
ELPI
Filter
Kühler
Kondensat
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Emissionsprüfstand
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Schema des analytischen Labors an der FH Coburg
Stand 1997
Wirbelstrombremse
limitierte Abgaskomponenten
MotorFID: HCCLD: NOxNIR: CO
FTIRRußoberflächen
Aldehyde und Ketone
UV/DADAufarbeitung
Waschflaschen
Gasbeutel
HPLC
MSGC
FID
BenzolGC
Filter
Kühler
Kondensat
FLD
Polyzyklische aromatischeKohlenwasserstoffe (PAK)
AufarbeitungHPLC
AAS
LIF
Stand 2006
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Emissionen limitierter Komponenten bei DI-Motoren
HC CO NOX
%
PM Soot NumberMVEG-A
FTP-75
Diesel fuel
160
140
120
100
80
60
40
20
0
13-mode
162242 210
5-modeNOx Rußzahl
NEFZ 13 Stufen 5 Stufen
Dieselkraftstoff
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
020406080
100120140160180200220240260
HC CO NOx PM
FTP-7513-Stufen Test13-Stufen Test (ESC)1000 h Test8-Stufen TestUDDSUDDSH
%
Dieselkraftstoff
Emissionen limitierter Komponenten im Vergleich zu DK
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
40
50
60
70
80
90
100
110
120
2 3,5
%
HC CO NOx PM
Dieselkraftstoff
Emissionen limitierter Komponenten im Vergleich zu DK
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Emissionen nicht limitierter Komponenten im Vergleich zu DK
%
PAK
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50Aldehyde Aromaten
Dieselkraftstoff
Benzol
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Das Diesel-Dilemma
Hohe Temperaturen führen zur Sauerstoffdissoziation:
O2 2 O
N2 + 2 O 2 NO
Tiefe Temperaturen führen zur unvollständigen Verbrennung:
CnHm + O2 CO2 + H2O + PM
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Entwicklung der NOx- und PM-Grenzwertefür LKW
PM [g/kWh]1.2
NO
x[g
/kW
h]15
10
5
00.8
PM [g/kWh]1,2
NO
x[g
/kW
h]15
10
5
00,0 0,4 0,8
EURO 0(1990)
EURO (1992)
I
EURO (1995)
II
EURO (2000)
III
EURO (2005)
IV
EURO (2008)
V
EURO (2014)
VI
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Entwicklung der NOx- und PM-Grenzwertefür LKW
PM [g/kWh]
NO
x[g/
kWh]
15
10
5
0
NO
x[g/
kWh]
15
10
5
00,00 0,05
EURO (2000)
IIIEURO
(2005)IV
EURO (2008)
VEURO (2014)
VI
0,1
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
PM [g/kWh]1.2
NO
x[g
/ kW
h]15
10
5
00.8
PM [g/kWh]1,2
NO
x[g
/ kW
h]15
10
5
00,0 0,4 0,8
EURO 0(1990)
EURO (1992)
I
EURO (1995)
II
EURO (2000)
III
EURO (2005)
IV
EURO (2008)
V
EURO (2014)
VI
Entwicklung der NOx- und PM-Grenzwertefür LKW
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
PM [g/kWh]1.2
NO
x[g
/ kW
h]15
10
5
00.8
PM [g/kWh]1,2
NO
x[g
/ kW
h]15
10
5
00,0 0,4 0,8
EURO 0(1990)
EURO (1992)
I
EURO (1995)
II
EURO (2000)
III
EURO(2005)
IV
EURO (2008)
V
EURO (2014)
VI
Entwicklung der NOx- und PM-Grenzwertefür LKW
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
PM [g/kWh]1.2
NO
x[g
/ kW
h]15
10
5
00.8
PM [g/kWh]1,2
NO
x[g
/ kW
h]15
10
5
00,0 0,4 0,8
EURO 0(1990)
EURO (1992)
I
EURO (1995)
II
EURO (2000)
III
EURO (2005)
IV
EURO (2008)
V
EURO (2014)
VI
Entwicklung der NOx- und PM-Grenzwertefür LKW
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
MotoroptimierungBiodiesel führt zu NOx-Anstieg und PM-Minderung
Partikelmasse
Stic
koxi
de
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
100 mm 50 mm
Zwei FAL-Sensor-Prototypen
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Messprinzip eines Dielektrizitätssensors
(im Frequenzbereich)
Stromquelle
Elektroden
DielektrikumKraftstoff
r'
Vektorvoltmeterzur Bestimmungvon Amplitude undPhasenverschiebung
r''
( )
( )
( )''j' rro ε−ε⋅εro =ε⋅ε=ε
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Versuchsfahrzeug
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Versuchsfahrzeug
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
BERU - Biodieselsensor mitintegrierter Temperaturmessung
(A-Muster)
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
BERU - Biodieselsensor mitintegrierter Temperaturmessung
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Einleitung Analytik und motorseitige Optimierungsstrategien
Kraftstoffseitige OptimierungsstrategienZusammenfassung
BiodieselEin Meilenstein auf dem Weg Ein Meilenstein auf dem Weg
zur nachhaltigen Mobilitzur nachhaltigen Mobilitäätt
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Motor- und Testbedingungen
Zylinderhub
Zylinderbohrung
Anzahl Zylinder
Hubvolumen
Nenndrehzahl
Nennleistung
Maximales Drehmoment
Abgasnorm
130 mm
102 mm
6
6370 cm3
2300 min-1
205 kW
1100 Nm bei 1300 min-1
EURO III
Mercedes Benz OM 906 LA 13-Phasen Test
1002
1
6
5
7
8
4
3
9
10
12
13
11
80
60
40
40
Drehzahl/Nenndrehzahl [%]
Teilla
stve
rhäl
tnis
[%]
60 80 100
20
015%
8%
5%
5%
5%
8%
5%
5%
5%
9%
10%
10%
10%
zusätzlich freiwählbare Prüfpunkte
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Kraftstoffe
Referenz Dieselkraftstoff gemäß DIN EN590
RME mit Palmölmethylester
RME gemäß DIN EN 14214
RME mit Sojaölmethylester
RME mit Palmöl- und Sojaölmethylester
Gas-to-liquid Kraftstoff (GTL)
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Kohlenmonoxidemissionen
ESC-Test, OM 906 LA
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
DK FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 GTL
Em
issi
on [g
/kW
h]
Grenzwert (EURO III) 2,1 g/kWh
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Kohlenwasserstoffemissionen
ESC-Test, OM 906 LA
0
0,004
0,008
0,012
0,016
0,02
DK FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 GTL
Em
issi
on [g
/kW
h]
Grenzwert (EURO III) 0,66 g/kWh
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Stickoxidemissionen
ESC-Test, OM 906 LA
0
1
2
3
4
5
6
DK FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 GTL
Em
issi
on [g
/kW
h]
Grenzwert (EURO III) 5,0 g/kWh
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Partikelemissionen
ESC-Test, OM 906 LA
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
DK FAME 1 FAME 2 FAME 3 FAME 4 GTL
Em
issi
on [g
/kW
h]
Grenzwert (EURO III) 0,1 g/kWh
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Sperrung der Innenstädte wegen Feinstpartikeln
DurchfahrtStuttgart
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
SMPS-Messwerte für verschiedene Kraftstoffe
ESC-Test, OM 906 LA
104
105
106
107
10 100 1000Elektrischer Mobilitätsdurchmesser [nm]
Par
tikel
anza
hl [1
/cm
³]
FAME 1
FAME 2
FAME 3
FAME 4
GTL
DKDK
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Partikelmasse PM10 - Hausstaub
0
100
200
300
400
500
600
13:25:00 13:48:00 14:11:00 14:34:00 14:56:59Zeit
Par
tikel
mas
se P
M10
in µ
g/m
³
Messung im Raum ohne spezielle Ereignisse
Betten aufschütteln
Staubsaugen
Staubsaugerausgang(direkt)
Kissen aufschütteln
Lüften(Terrassentür auf)
Lüften beendet
Absolutfilter
50 µg/m³
Eigenschaften des Messraumes:
Fenster und Türen geschlossenNichtraucher-WohnzimmerBodenbelag: ParkettRaumgröße: ca. 30 m²Raumhöhe: 2,5 mRaumtemperatur: 21 °CLuftfeuchte (innen): 58 %Höhe der Probenahmestelle: 1 m
Außentemperatur: 13 °CLuftfeuchte (außen): 64 %
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Untersuchte moderne Kraftstoffe
Referenz-Dieselkraftstoff gemäß DIN EN 590
Biodiesel gemäß DIN EN 14214
Shell V-Power Diesel®
Gas-to-liquid Kraftstoff (GTL)
Aral Ultimate Diesel®
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
0
20
40
60
80
100
120
NOx CO HC
rel.
Em
issi
on [%
]
DKV-Power DieselUltimate DieselGTLBiodiesel
NOx
Emissionen relativ zum EURO III Grenzwert ESC-Test, OM 906 LA
Grenzwerte (EURO III): 5,0 g/kWh 2,1 g/kWh 0,66 g/kWh
x 20
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Emissionen relativ zum EURO III Grenzwert ESC-Test, OM 906 LA
0
20
40
60
80
100
120
NOx CO HC
rel.
Em
issi
on [%
]
DKV-Power DieselUltimate DieselGTLBiodiesel
NOx
Grenzwerte (EURO III): 5,0 g/kWh 2,1 g/kWh 0,66 g/kWh
x 20
0
1
2
3
4
5
6
rel.
Em
issi
on [%
]
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
Par
tikel
mas
se [g
/kW
h]
Partikelmasseemissionen
DK V-PowerDiesel®
UltimateDiesel®
GTL Biodiesel
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Mutagenität der Partikelextrakte, Teststamm TA98, ESC-Test, OM 906 LA
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
DK V-Power Diesel® Ultimate Diesel® Biodiesel
Mut
atio
nen
pro
m3
Abg
as
TA98 -S9TA98 +S9
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Kraftstoffverbräuche
ESC-Test, OM 906 LA
0
5
10
15
20
25
30
DK V-PowerDiesel®
Ultimate Diesel® GTL Biodiesel
Ver
brau
ch [k
g/h]
22,94 22,91 22,93
25,48(27,49 L/h) (28,85 L/h)
22,01
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Einleitung Analytik und motorseitige Optimierungsstrategien
Kraftstoffseitige OptimierungsstrategienZusammenfassung
BiodieselEin Meilenstein auf dem Weg Ein Meilenstein auf dem Weg
zur nachhaltigen Mobilitzur nachhaltigen Mobilitäätt
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Zusammenfassung (1)
Reines Rapsöl ist für konventionelle Motoren ungeeignet.
Ruß und krebserzeugende Stoffe sind im Biodieselabgas deutlich abgesenkt.
Ein Biodieselsensor ermöglicht die NOx-Absenkung.
Biodiesel ist heute mit Abstand der einzige nennenswert am Markt eingeführte Biokraftstoff.
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Zusammenfassung (2)
Das Beispiel der NOx-Absenkung durch Biodiesel-Design deutet das Potenzial der systematischen Kraftstoffforschung an.
Moderne Dieselkraftstoffe können dazu beitragen, Mutagenitätswerte in der Größenordnung von Biodiesel zu erreichen.
Biodiesel ist ein bedeutender Meilenstein auf dem Weg zur nachhaltigen Mobilität – aber gleichermaßen auch nur eine Etappe.
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Möglichkeiten für die breite Einführungneuer Technologien für Biokraftstoffe
Quelle: diverse Veröffentlichungen
Ver
bren
nung
smot
oren
Ele
ktro
mot
oren
2000 2005 2010 2015 2020 2025 Jahr
BenzinBeimischung:
EtOHETBE FT-Kraftstoff
für homogeneMotoren
Diesel
Biodiesel Beimischung:FT-Kraftstoffe
BZ mit H2
(Flotte)BZ mit MeOH H2-Technologie
BZ mit H2
Beimischung:fossiler DK
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Potenzielle biogene Zukunftskraftstoffe
EtOH,ETBE
Gemischevon PME
?
REE?
O2-(Bio)diesel
?
FTK:BTL?
B5
B10 / B20?
Rapsöl?
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Auriga (Fuhrmann)
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Ausblick
Da zukünftige Motoren neue fossile und neue biogene Kraftstoffe
benötigen, ist zur wechselseitigen Optimierung von Motor und Kraftstoff
eine systematische Verbundforschung notwendig.
Dazu wird die Gründung eines
Instituts für Nachhaltige Chemie
empfohlen.
Ringvorlesung “Energien für die Zukunft”TU Braunschweig, WS 2006/07
Bundesforschungsanstaltfür Landwirtschaft
fachhochschulecoburguniversity of applied sciences
Herzlichen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!
Sept. 2006