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GP 08/17

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36 PRAXIS Flüchtige

36 PRAXIS Flüchtige Alternative oder: Taugen Gasantriebe als alternatives Konzept? Der bei Baumaschinen und Lkw allgegenwärtig dominante Diesel steht in der Kritik und im wahrsten Sinne des Wortes unter Feuer. Die fortwährenden Verschärfungen der Abgasvorschriften haben extreme Ausmaße angenommen. Mittlerweile scheint das Ende der Fahnenstange erreicht. Nur schwer können sich selbst kreativ-kundige Köpfe hier noch wesentliche Fortschritte vorstellen. Auf die Frage, wodurch sich der Kraftstoff denn sinnvoll und vor allem wirtschaftlich ersetzen ließe, deutet die Antwort immer häufiger in Richtung Gas. Für Gasantriebe spricht zunächst, dass sie den Kraftstoff sauberer verbrennen und daher eine weniger aufwendige Abgasnachbehandlung benötigen. Das verringert Systemkosten und -gewicht. Zudem erzeugen diese Antriebe weniger Treibhausgas, wobei sich die Reduktion bei etwa 20 % gegenüber einem benzinbetriebenen Ottomotor und 10 % gegenüber einem Diesel darstellt. Im direkten Vergleich mit Benzin entsteht je nach Gasanlage ein volumetrischer Mehrverbrauch von 5 bis 20 % für LPG, bedingt durch die geringere Dichte und den geringeren Energiegehalt pro Liter Flüssigkeitsvolumen im Vergleich zu Benzin. Selbst unter Berücksichtigung des prinzipbedingten Mehrverbrauchs verringert sich der Ausstoß von Stickoxiden (NOx) um etwa 80 % und der von unverbrannten Kohlenwasserstoffen um rund 50 %. Im Moment kommt dazu als vielleicht bedeutsamste Rahmenbedingung die günstige Besteuerung von Gas. Im Durchschnitt sind dadurch die Kosten des Erdgases 50 % niedriger als Benzin und 30% niedriger als Diesel. In der jüngsten Vergangenheit fanden bereits etliche Konzepte für gasangetriebene Baumaschinen und Fahrzeuge durchaus Resonanz in der Branche: Einen der beim letzten VDBUM-Großseminar verliehenen VDBUM-Innovationspreise verdienten sich spezielle Rüttelplatten von Bomag (3. Platz). Die Geräte sind mit einem Benzinmotor ausgestattet, werden aber mit LPG aus handelsüblichen Gaskartuschen betrieben. Damit adaptiert Bomag eine Technik, die prinzipiell bereits seit Langem bei gasbetriebenen Gabelstaplern eingeführt ist. Das Karlsruher Institut für Technologie konnte mit seiner Studie zu LNG in mobilen Arbeitsmaschinen beim gleichen Wettbewerb sogar einen 2. Platz belegen. Viele Motorenzulieferer haben zum Teil bereits seit Längerem gasangetriebene Alternativen im Programm. So bietet Deutz seit mehr als zehn Jahren kompakte Motoren wie den erfolgreichen TCD-2.9-Vierzylinder als Option für kleine bis mittlere Baumaschinen. Der Hersteller setzt dabei auf die Flüssiggasversion LPG. Die Varianten entsprechen in Größe und Ausführung dem jeweils selbstzündenden Diesel-Pendant, wodurch umfangreiche Synergieeffekte bei der Integration nutzbar werden. Die neuen Gasvarianten – G 2.2 und G 2.9 genannt – markieren für Deutz nach eigener Einschätzung den Einstieg in ein zukunftsträchtiges Geschäft, denn die LPG-Motoren bieten mehrere Vorteile. Neben dem Geräteeinsatz in geschlossenen Gebäuden erreichen die Motoren mit Hilfe eines Drei-Wege-Katalysators, also ohne ein aufwendiges Abgasnachbehandlungssystem, die Stufe V. Für die Zukunft hat Deutz die Entwicklung von Gasantrieben auch für größere Maschinen angekündigt. Schon seit 20 Jahren entwickelt Iveco Gasalternativen und zählt sich heute zu den führenden Anbietern in diesem Bereich. Dank des langjährigen Einsatzes ist Iveco heute nach eigenen Angaben der einzige Fahrzeughersteller, der eine ganze Palette an erdgasbetriebenen BREIT AUSGEHOLT: Mit Iveco hat ein Hersteller eine fast vollständige Gas-Flotte in allen Größenordnungen im Programm. Foto Iveco AUTOGASSPEZIALIST Femitec rüstet seit 2012 dieselgetriebene Brechermotoren auf Gemischbetrieb um. Die Anlagen werden über Gasflaschen versorgt. Foto: Femitec GESTEINS PERSPEKTIVEN 8/2017

PRAXIS 37 WELCHES GAS WOFÜR? Mehrere Alternativen sind möglich Für den Einsatz in Verbrennungsmotoren eignen sich zwei Arten von Gas. Beim Flüssiggas LPG (Liquefied Petroleum Gas) handelt es sich um ein variables Gemisch mit den Hauptbestandteilen Butan und Propan. Daneben steht Erdgas, verdichtet als CNG (Compressed Natural Gas) sowie auf gut -160 °C heruntergekühlt und damit verflüssigt als LNG (Liquefied Natural Gas), zur Verfügung. Zwar weist Flüssig-Erdgas in diesem Zustand nur 1/600stel des Volumens von CNG auf, Modellen anbieten kann und mit mehr als 22.000 verkauften Einheiten einer der Markt- und Technologieführer für erdgasbetriebene Nutzfahrzeuge ist. Ein Beispiel im oberen Segment ist der Stralis NP AS440S40T/P, dessen Cursor- 9-LNG/CNG-Erdgasmotor mit einer Leistung von 400 PS aufwarten kann. Es ist der erste speziell für den Fernverkehr entwickelte Erdgas-Lkw und der einzige, der mit verflüssigtem LNG oder gasförmigem CNG fahren kann. Durch seine große Reichweite von bis zu 1500 km ist er für den Einsatz auf langen Strecken prädestiniert. Bei Scania können Lkw mit Gasmotoren mit komprimiertem sowie mit verflüssigtem Erdgas parallel eingesetzt werden. Beim neuen 9,3-l-Motor handelt es sich um einen Fünfzylinder, der bis 340 PS leistet. Die Maschine arbeitet nach dem Gas-Ottomotoren-Prinzip und setzt laut Hersteller auf die kraftstoffsparendsten Gasmotoren, die bisher weltweit entwickelt wurden. Der Euro-6-Gasmotor ist nun mindestens so leistungsstark wie ein Dieselmotor. Dazu weist er eine extrem niedrige Geräuschentwicklung auf. Nach Herstellerangaben haben zwei bahnbrechende Neuerungen großen Einfluss auf Leistung und Fahrverhalten: Der optimierte Lufteinlass und die Einführung eines neuen Zündsystems. Scania hat den Lufteinlass nämlich überarbeitet, um die Luftstromgeschwindigkeit zu maximieren und den Sauerstoffgehalt im für die Kühlung müssen aber auch etwa 10 bis 25 % des Gasenergieinhaltes eingesetzt werden. Im Wesentlichen bestehen die Erdgasvarianten aus Methan und stellen gegenüber dem LPG eine weniger aufwendig raffinierte Variante dar. Bioerdgas ist Methan, das aus biogenen Stoffen erzeugt – sprich in Biogasanlagen hergestellt wurde. Vor der Anwendung und Verteilung muss dieses Biogas zu Biomethan aufbereitet und von anderen Gasbestandteilen separiert werden. Zylinder zu erhöhen. Dies führt zu einer Erhöhung von Wirkungsgrad und Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich. Darüber hinaus wurde ein doppelter Injektorsatz pro Zylinder eingeführt. Durch die Zufuhr eines optimalen Luft-Gas- Gemischs werden Leistung und Wirkungsgrad weiter verbessert. VERBRENNUNG VON GAS IM MOTOR Unterschiedliche Verfahren der Zündung Der Gas-Ottomotor – also die klassische Fremdzündung des Gemisches im Zylinder mit einer Zündkerze – ist zurzeit die einzige Möglichkeit der Verbrennung, bei der Erdgas ohne zusätzliche Kraftstoffe oder Zündmittel verwendet werden kann. Der größte Teil der Erdgasmotoren für Nutzfahrzeuge hat als Basis diese fremdgezündeten Motorkonzepte. Die Leistungsdichte des Gas-Ottomotors liegt etwa 20 % unter der des Ausgangsdieselmotors. Der Wirkungsgrad wird mit 60 bis 80 % des Dieselmotors angegeben. Dafür sind die Gas-Ottomotoren über 3 dB(A) leiser als Dieselmotoren. Das Diesel-Gasverfahren nutzt wie der Ottomotor eine äußere Gemischaufbereitung. Das Brenngasgemisch wird dabei aber nicht durch einen Zündfunken, sondern durch eine Einspritzung von Dieselkraftstoff gezündet. Zum Betrieb von Diesel-Gasmotoren ist also ein zusätzlicher Dieseltank erforderlich. Auch spezielle Zündfluide sind denkbar, um auf Diesel komplett zu verzichten. Der Diesel- Gasprozess ist trotz der eingespritzten Dieselkraftstoffmenge thermodynamisch ein Ottoprozess. Wegen der hohen Diesel-Substitutionsraten und der bleibenden Möglichkeit des reinen Dieselbetriebs wird der Diesel-Gasprozess auch als Dual-Fuel-Betrieb bezeichnet. Substitutionsraten von 60 bis 80 % bzw. sogar > 90 % werden angegeben. Daneben gibt es Verfahren mit innerer Gemischbildung, wobei zwischen Hoch- und Niederdruckdirekteinblasung unterschieden wird. Bei der Hochdruck-Direkteinblasung (High- Pressure-Direct-Injection-Verfahren – HPDI) beim Gas-Dieselmotor wird im Zylinder in die verdichtete Brennluft Gas eingeblasen und mit einer kleinen Menge eingespritztem Diesel gezündet. Bei Nutzfahrzeugen lassen sich damit Diesel-Substitutionsraten von über 90 % erreichen. Fahreigenschaften und Kraftstoffverbrauch sind vergleichbar mit denen des zugrunde liegenden Dieselmotors. Die Niederdruck-Direkteinblasung kann bei fremdgezündeten Motorkonzepten (Otto- und Dual-Fuel-Verfahren) zum Einsatz kommen. Dabei wird das Gas mit einem Druck von etwa 20 bar in den mit Luft gefüllten und noch nicht verdichteten Brennraum eingeblasen. Wichtiger Bestandteil zur Vermeidung von Schadstoffen im Abgas sind Abgasnachbehandlungssysteme. Bei Motoren mit LNG können die bekannten konventionellen Systeme zum Einsatz kommen. Die auf Diesel-Konzepten aufbauenden Motoren besitzen Partikelfilter, SCR- sowie Oxidations- Katalysator. Für Motoren, die nach dem Otto-Verfahren betrieben werden, sind im Regelfall lediglich Drei-Weg- Katalysatoren notwendig. Quelle: Flüssiges Methan als alternativer Energieträger für mobile Arbeitsmaschinen, Institut für Fahrzeugsystemtechnik – Teilinstitut Mobile Arbeitsmaschinen Dipl.- Ing. Danilo Engelmann et al. 8/2017 GESTEINS PERSPEKTIVEN

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