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Mobile Maschinen 5/2018

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Mobile Maschinen 5/2018

AUS DER FORSCHUNG

AUS DER FORSCHUNG MASCHINENKONZEPTE FÜR MOBILE ARBEITSMASCHINEN MIT METHANANTRIEB 36 Mobile Maschinen 2018/05 www.mobile-maschinen.info

In diesem Artikel werden methangetriebene Maschinenkonzepte vorgestellt und auf ihre Eignung für mobile Arbeitsmaschinen untersucht. Die verschiedenen Maschinenkonzepte für die unterschiedlichen Maschinenkategorien werden diskutiert, um zu klären, ob in den verschiedenen Einsatzbereichen von mobilen Arbeitsmaschinen die geforderten Randbedingungen auch von einer Maschine mit Methanantrieb erfüllt werden können. Eventuelle Zielkonflikte werden für einzelne Beispiele aufgezeigt. MOTIVATION Motiviert durch den Anstieg der Treibhausgaskonzentration [1] und der Beschleunigung der Klimaerwärmung verfolgen 195 Länder das Ziel den mittleren Temperaturanstieg der Erde auf 1,5 °C im Vergleich zu 1990 zu begrenzen [2]. In [3] wurden unterschiedliche Energieträger für einen CO 2 -neutralen Betrieb mobiler Arbeitsmaschinen untersucht, dabei wurde flüssiges Methan als vielversprechendste Diesel-Alternative identifiziert. Mit dem Einsatz von Methan aus Erdgas, Biogas oder synthetischem Erdgas (SNG) können Treibhausgasemissionen auch bei mobilen Arbeitsmaschinen reduziert werden [4]. Die DIN51624 unterscheidet beim Kraftstoff Methan bzw. Erdgas, das H-Gas mit einem Heizwert von mindesten 46 MJ/kg und L-Gas mit einem Heizwert zwischen 39 und 46 MJ/kg [5]. Im folgenden Artikel wird die Methode in Form eines morphologischen Kastens, welche möglichen Maschinenkonzepte mit flüssigem Methan für mobile Arbeitsmaschinen beschreiben, kurz erläutert. Anschließend werden die Maschinenkonzepte mit dem größten Potential vorgestellt. Zum Schluss werden die ausgewählten Maschinenkonzepte auf ihre Anwendungstauglichkeit hin untersucht und entsprechend bewertet. Autoren: Isabelle Ays, akademische Mitarbeiterin, Teilinstitut Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima), Karlsruher Institut für Technologie KIT, Linus Weberbeck, ehemalige studentische Hilfskraft am Mobima, Prof. Danilo Engelmann, Leitung Abgasprüfstelle an der Berner Fachhochschule BFH, Prof. Dr. Marcus Geimer, Leiter des Teilinstitut Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima), Karlsruher Institut für Technologie KIT MASCHINENKONZEPTE Mobile Arbeitsmaschinen werden in unterschiedlichen Arbeitsprozessen und Anwendungsfeldern betrieben. Daher benötigt jeder Maschinetyp ein angepasstes Maschinenkonzept. Zur Maschinenkonzeptwahl wurde die Methode des morphologischen Kastens ausgewählt. Hierzu wurde das in Bild 01 entwickelte Schema genutzt. Zunächst erfolgt die Wahl eines geeigneten Antriebs als Primärenergiewandler. Hierfür existieren für den Einsatz von Methan drei einsetzbare Verfahren für Verbrennungskraftmaschinen: das Otto-Verfahren, das Diesel- Gasverfahren und das Gas-Dieselverfahren. Beim Ottoverfahren wird Erdgas ohne zusätzliche Kraftstoffe im Hubkolbenmotor verbrannt. Das Diesel-Gasverfahren (Gasanteil 60 – 80 %), auch als Dual-Fuel Verfahren bekannt, und das Gas- Dieselverfahren (> 90 % Gasanteil), HPDI-Verfahren genannt, benötigen für die Zündung des Methans einen Dieselanteil im Kraftstoff. Nach der Wahl des Verbrennungsverfahrens wird ein Einspritzsystem ausgewählt. Je nach Motorvariante stehen zur Auswahl: die Zentraleinspritzung (SPI), die Multi-Point- Injection (MPI) und die Hochdruck-Direkteinspritzung (HPDI) [4]. Tanksysteme für flüssiges Methan besitzen eine sogenannte Haltezeit, welche die Zeitdauer vom Abstellen des Motors bei Tanknenndruck bis zum ersten Ablassen von Erdgas aus dem Tank beschreibt. Diese Zeitdauer ist vom Tankdruck und Füllstand des Tanks abhängig und variiert zwischen 1 Tag und bis zu 10 Tagen (ohne den Einsatz von einem Kühlsystem) [5]. „Der Faktor für die Gewichtserhöhung des Tanksystems im Vergleich von Diesel- und LNG- Systemen ergibt sich je nach Motorverfahren und verwendetem Gas zu etwa 1,7 für Dual- Fuel-Systeme bis etwa 2,9 für HPDI-Systeme. […] Aufgrund der geringeren volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte von LNG-Tanks gegenüber Dieseltanks ist die Tankkapazität der Maschine ein wichtiger Punkt. Falls nicht ausreichend zusätzlicher Bauraum zur Verfügung steht oder zusätzliches Gewicht nicht akzeptiert werden kann, muss ein Tanksystem mit kleinerem Energieinhalt als bei der Dieselvariante installiert werden. Bei den meisten Maschinen erscheint in einem solchen Fall die Auslegung der Tankkapazität auf eine Arbeitsschicht bzw. einen Arbeitstag als sinnvoller Kompromiss. Bei Maschinen, die nur gelegentlich oder kurzzeitig zum Einsatz kommen, sind evtl. auch kleinere Tankkapazitäten denkbar. Bei Maschinen, deren Tankkapazität schon im Dieselbetrieb nur auf eine Betriebsdauer von einer oder zwei Arbeitsschichten ausgelegt ist, müssen Kompromisse bezüglich Betriebsdauer und Massen-/Volumenzuwachs gefunden werden. Insbesondere bei Gas-Luft- Gemisch ansaugenden Motorkonzepten ist der Einsatz eines CNG Hilfstanks mit geringer Kapazität denkbar. Technisch wäre dies, insbesondere wegen der Möglichkeit, abgestellte Maschinen mit leerem LNG-Tank zu rangieren, von Interesse. Unabhängig von Motorkonzept und Tankart muss festgelegt werden, ob ein Tankkühlsystem vorgesehen werden soll und wie dieses angetrieben wird. Alternativ zu einem Kühlsystem an Bord der Maschine wären zur Kühlung des Tanks bei längeren Stillständen auch Anschlüsse für ein externes Kühlsystem denkbar. Zuletzt kann, je nach Einsatz der Maschine, eine Sicherheitsfackel vorgesehen werden, die emittiertes Boil-off- Gas in seiner Treibhauswirkung reduziert.“ [5] www.mobile-maschinen.info Mobile Maschinen 2018/05 37

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