Noch effizienter und leistungsstärker: die neuen Erdgasmotoren der Baureihe 4000

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1 Hintergrundartikel Noch effizienter und leistungsstärker: die neuen Erdgasmotoren der Baureihe 4000 Als Aggregate zur Stromerzeugung oder Module in Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen kommen Gasmotoren-Systeme der Baureihe 4000 seit Jahren zum Einsatz. Mit der weiterentwickelten Version des Erdgasmotors vom Typ L64 können Kunden künftig noch effizienter dezentrale Energie erzeugen: Aufbauend auf bereits implementierten Verbesserungen der aktuellen Serie wurden relevante Technologiebausteine optimiert, um Wirkungsgrad und elektrische Leistung der Motorenbaureihe weiter zu steigern. In Zeiten, in denen der weltweite Energiebedarf steigt und eine zuverlässige Stromversorgung immer wichtiger wird, müssen Produkte zur Energieerzeugung besonders hohe Anforderungen erfüllen: Neben langer Lebensdauer und niedrigen Wartungskosten sind ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte entscheidend. Zudem müssen sie zukünftige, strengere Emissionsgesetzgebungen berücksichtigen. Die neuen, leistungsgesteigerten Erdgasmotoren von MTU Onsite Energy tragen diesen Ansprüchen Rechnung: Auf Basis neuer Erkenntnisse aus Vorentwicklung und Vollmotorenversuch wurde die aktuelle Baureihe konsequent überarbeitet. Das Resultat: ein elektrischer Wirkungsgrad von 44,3 Prozent und eine elektrische Leistung, die um bis zu 30 Prozent höher liegt als bei Vorgängermodellen.

2 Aus der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung im Vergleich zum bisherigen Baumuster L63 ergeben sich erhebliche wirtschaftliche Vorteile für den Betreiber und das quer durch alle Zylinderzahlen der Baureihe 4000-L64. Besonders eindrucksvoll zeigt sich dies bei dem im deutschen Markt wichtigen Leistungspunkt kw el. Diese Schwellenleistung im Fördergesetz für Kraft-Wärme- Kopplung wurde bisher mit einem 20-Zylindermotor vom Typ 20V 4000 L63 bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 41,7 nach ISO 3046 dargestellt. Zukünftig kann ein 16-Zylindermotor vom Typ 16V 4000 L64 eingesetzt werden. Bei 44,3 Prozent elektrischem Wirkungsgrad lässt sich bei einer Betriebsdauer von Stunden je nach Kraftstoffpreis eine Reduzierung der jährlichen Kraftstoffkosten um bis zu Euro erzielen. Darüber hinaus ergeben sich durch die angehobene Leistung Vorteile beim spezifischen Wartungsaufwand. Seit Jahren bewährt: MTU-Baureihe 4000 Die Motorbaureihe 4000 gehört zu den erfolgreichsten Produktfamilien von MTU. Seit ihrer Einführung im Jahr 1996 stellen die Motoren ihre Leistungsstärke in verschiedenen anspruchsvollen Anwendungen unter Beweis. Zunächst als schnelllaufende Dieselmotoren verfügbar, wurde das Produktportfolio Anfang 2001 um eine Gasmotorenpalette für Erdgasanwendungen erweitert und 2011 um Biogasmotoren ergänzt, die mit methanhaltigen Brenngasen aus der anaeroben Fermentation von organischem Material betrieben werden können. Seit ihren Anfängen hat MTU die Baureihe 4000 für Erdgasanwendungen kontinuierlich überarbeitet. Die neue Motorengeneration ist in einem erheblichen Teil ihres Leistungsbereiches ein Meilenstein in puncto elektrischer Effizienz und erreicht mit einem Hubraum von 4,77 Litern pro Zylinder eine in dieser Klasse bisher nicht erreichte Leistung von 2,5 Megawatt elektrisch. Wie ihre Vorgänger ist sie speziell auf den

3 uneingeschränkten Dauerbetrieb zur stationären Stromerzeugung ausgelegt. Mit Stunden Laufzeit bis zur Grundüberholung gehören die Motoren zu den robustesten ihrer Leistungsklasse. Ein wichtiger Aspekt bei der Weiterentwicklung war die Vorgabe, weitestgehend bestehende Bauteile zu verwenden, um den Aufwand sowohl für Fertigung und Montage als auch Ersatzteilbeschaffung beim Kunden möglichst gering zu halten. Verbaut werden die Motoren in dezentralen Energiesystemen der Marke MTU Onsite Energy, wo sie bis Kilowatt elektrisch leisten. Seit April 2014 sind die 4000er-Motoren vom Typ L64 verfügbar. Den Anfang machten die 12- und 16- Zylindervarianten, sukzessive gefolgt von Varianten mit 20 und acht Zylindern. Weiterentwicklung der 4000er-Erdgasmotoren Bereits im vorhergehenden Baumuster hatten wesentliche Verbesserungen bei Entdrosselung, Aufladung, Verbrennung und Elektronik sowie beim Zündsystem und Triebwerk für einen effizienteren Motorbetrieb gesorgt. Zur weiteren Verbesserung von Wirkungsgrad und Leistung führte MTU Versuche an einem Einzylindermotor durch, die von strömungsmechanischen 3D- Simulationen (CFD-Simulationen; Computational Fluid Dynamics) begleitet wurden, um laufend die Auswirkungen auf den späteren Motor überprüfen zu können. Um schon früh im Projektverlauf die notwendige Dauerlauferfahrung mit der leistungsgesteigerten Variante zu sammeln, wurde ein Aggregat am Standort Friedrichshafen installiert. Dort liefern bereits seit mehreren Jahren zwei Blockheizkraftwerke (BHKW) mit MTU-Gasmotoren Wärme und Strom für die Produktion. Seit Januar 2012 läuft das BHKW im Werk 2 mit einem der neuen Motoren mit einer spezifischen Dauerleistung von 130 Kilowatt pro Zylinder. Um einen sicheren

4 und robusten Serienanlauf zu gewährleisten, testet MTU zudem eine Einheit unter Alltagsbedingungen bei einer Außenerprobung. Optimierte Komponenten verringern Druckverluste Ein wesentlicher Baustein bei der Entwicklung des neuen Gasmotors ist die Entdrosselung gasführender Bauteile mit dem Ziel, Druckverluste zu minimieren. Zu diesem Zweck wurden Krümmer, Gasmischer und der Gemischkühler strömungstechnisch optimiert. So senkt etwa die veränderte Form des Abgaskrümmers den Abgasgegendruck nach der Turbine ab und reduziert deutlich die Strömungsverluste der Abgasleitung mit positivem Effekt auf den Motorwirkungsgrad. Verbesserungen beim Verbrennungsprozess Um die Klopffestigkeit zu erhöhen und die Stickoxidemissionen zu reduzieren, wendet MTU das Miller-Verfahren an. Ein früher Schließzeitpunkt der Einlassventile führt zu einer Abkühlung des Gemischs, wodurch die maximalen Verbrennungstemperaturen sinken. In Kombination mit einer Erhöhung des Ventilhubs (einlasswie auslassseitig) und reduziertem Drall konnte MTU den Ladungswechsel vereinfachen, was sich wiederum positiv auf den Motorwirkungsgrad auswirkt. Weitere Verbesserungen im Wirkungsgrad wurden erreicht, indem die Geometrie von Kolbenmulden und Vorkammerzündkerzen angepasst und die Schadräume im Brennraum minimiert wurden. Effiziente Aufladung für leistungsstarke Motoren Die Aufladung erfolgt bei der Baureihe 4000 L64 einstufig und Bypass-geregelt mittels ABB-Turbolader aus der A100-Serie. Dank der nun realisierten besseren Aufladungswirkungsgrade verzichtete MTU auf eine komplexe und kostenintensive zweistufige Aufladung. Optional kann eine Verdichterkühlung

5 eingesetzt werden. Dabei wird ein Teil des gekühlten und verdichteten Gemischmassenstroms an die Verdichterradrückwand zurückgeführt und kühlt sie, wodurch der Turbolader noch effizienter arbeitet und der Motor beim Aufstellen zusätzliche 600 Höhenmeter bei Nominalleistung gewinnt. Leistungsstarkes Motormanagement Zur Verbesserung des Lastschaltverhaltens passte MTU bei den leistungsgesteigerten 4000er-Motoren die bereits vorhandene Regelungssoftware an. Mit der neuesten Generation der MTUeigenen Motorreglerplattform lassen sich Bypass und Kraftstoffdrosselung noch gezielter ansteuern. Zudem werden elektrische Leistungen schneller vom Motormanagement erfasst, das so in noch kürzerer Zeit auf Laständerungen reagieren kann teilweise schon, bevor sich diese auf den Motor auswirken. Die neue Regelung ist außerdem in der Lage, einen automatisierten, unbemannten Prüfstandbetrieb darzustellen. Die so gewonnenen Daten können bei Serienabnahmen und auf Entwicklungsprüfständen verwendet werden, um die Prüflaufeffizienz zu steigern. Langfristig profitieren davon Entwickler ebenso wie Kunden. Illustrationsvorschlag: Infokasten Motordaten Motornenndrehzahl min -1 Effektiver Mitteldruck 21,8 bar Elektrischer Wirkungsgrad (ISO 3046) 44,3 Prozent Bohrung/Hub 170/210 mm Zylinder-V-Winkel 90 Hubraum pro Zylinder 4,77 Liter Mechanische Leistung pro Zylinder 130 kw Zylinderzahlen 8V, 12V, 16V und 20V Emissionsoptimiert ½ TA Luft und TA Luft

6 - Ende - Über MTU Onsite Energy MTU Onsite Energy ist eine Marke der Rolls-Royce Power Systems AG. Das Portfolio von MTU Onsite Energy umfasst Systemlösungen zur Energieversorgung auf Basis von Diesel- und Gasmotoren: von Anlagen für Notstrom-, Grund- und Spitzenlastversorgung bis hin zu leistungsfähigen Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen. Die Stromerzeugungsanlagen von MTU Onsite Energy basieren auf Dieselmotoren mit einer Leistung bis Kilowatt (kw), Gasmotoren bis kw und Gasturbinen bis kw. Über Rolls-Royce Power Systems Die Rolls-Royce Power Systems AG mit Sitz in Friedrichshafen ist einer der weltweit führenden Anbieter von schnell- und mittelschnelllaufenden Dieselund Gasmotoren, Antriebssystemen, dezentralen Energieanlagen und Kraftstoffeinspritzsystemen für höchste Anforderungen. Die Rolls-Royce Power Systems AG firmierte vormals unter dem Namen Tognum AG. Das Produktportfolio umfasst schnelllaufende Motoren und Antriebssysteme der Marke MTU für Schiffe, schwere Land- und Schienenfahrzeuge, militärische Fahrzeuge sowie für die Öl- und Gasindustrie. Unter der Marke MTU Onsite Energy vermarktet das Unternehmen Systemlösungen zur Energieversorgung auf Basis von Diesel- und Gasmotoren: von Anlagen für Notstrom-, Grund- und Spitzenlastversorgung bis hin zu leistungsfähigen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. Die norwegische Tochterfirma Bergen Engines AS stellt mittelschnelllaufende Motoren für Schiffe und Energieanlagen her. L Orange rundet das Portfolio mit Kraftstoffeinspritzsystemen für Großmotoren ab. Rolls-Royce plc und Daimler AG sind über ein Gemeinschaftsunternehmen die Rolls-Royce Power Systems Holding GmbH je zur Hälfte Eigentümer. Konsolidiert ist das über Mitarbeiter zählende Unternehmen seit Januar 2013 vollständig bei Rolls-Royce plc.