Alternative Kraftstoffe für Dieselmotoren

Transkript

1 Dr. Jens Hadler Alternative Kraftstoffe für Dieselmotoren aus Öl, Gas, Bio- masse Entwicklung Dieselmotoren, Volkswagen AG, Wolfsburg

2 Agenda Warum alternative Kraftstoffe? Anforderungen an alternative Kraftstoffe Denkbare alternativer Dieselkraftstoffe Weltweites Konzept zum sinnvollen Einsatz alternativer Kraftstoffe Forschungsbedarf Fazit

3 Warum alternative Kraftstoffe? Emissionen senken - Treibhausgase (CO 2, N 2 O) - limitierte Schadstoffe (NO x, Partikel, CO, HC) Energie substituieren - Senkung des Weltenergieumsatzes - Minderung der Abhängigkeit von Erdöl produzierenden Ländern Arbeitsplätze schaffen - in der Landwirtschaft - im Mittelstand (Produktion)

4 Realisierung dieser Anforderungen + + Motor DPF? NO x Kat? Erschließung geeigneter Rohstoffe Aufbau einer Produktion Herstellung geeigneter Kraftstoffe Vertrieb dieser Kraftstoffe Entwicklung eines sauberen, effizienteren Antriebsstranges Ertüchtigung desselben für alternative Kraftstoffe flankierende Maßnahmen - Getriebe - cw * A - Fahrzeugmasse - intelligente Verkehrssysteme

5 Weltweite Schwerpunkte der Anforderungen Nord Amerika Emissionen, Leistung, Verbrauch, Energieautonomie Europa Emissionen, Verbrauch, CO 2 Förderung der Landwirtschaft Japan Emissionen, Verbrauch, Komfort Latein Amerika Erschwingliche Mobilität Förderung der Landwirtschaft Unabhängigkeit China Emissionen, Energie, Energieautonomie

6 Entwicklungsmöglichkeiten für Kraftstoffe (Grundlagenuntersuchungen der Volkswagen AG) 0,060 0,050 EU III Partikel [g/km] 0,040 0,030 0,020 0,010 EU IV spezielle Paraffine optimierter Siedeverlauf sauerstoffhaltige Komponenten 0,000 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 HC+ NO x [g/km] Basis: Diesel 1998 Biodiesel

7 Amerikas Weg zur Energieautonomie Trans. Efficiency Electricity on Road 20 Oil Shale MMbpd Import Gap Biomass CTL 5 Conventional Oil Production Quelle: Southern States Energy Board and Management Information Services

8 Energiewirtschaft als Weg aus der Armut (Bsp.: Besteuerung von Diesel in Brasilien) Biodiesel Familienbetriebe in benachteiligten Regionen [R$/l] allgemeine Familienbetriebe [R$/l] intensive Landwirtsc haft [R$/l] Diesel Mineralölsteuer 0,0 0,0 0,0 0,07 Sozialabgaben 0,0 0,07 0,222 0,148 *Stand 2005

9 Anforderungen an alternative Kraftstoffe sichere Versorgung gesamtwirtschaftlich tragbar Berücksichtigung von Umwelt- und Klimaschutz Verträglichkeit mit erforderlicher Motoren- und Abgasnachbehandlungstechnologie (Emissionsstandards) Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten hohe Energiedichte (-> Fahrzeugreichweite) Kein singulärer Energieträger kann diese Forderungen alleine erfüllen

10 Verfügbarkeit von Biomasse ist nahezu überall gegeben kann aber auf absehbare Zeit nur Teile der Kraftstoffversorgung garantieren andere Quellen: Kohle Erdgas Atomstrom Aus der Anforderung der Versorgungssicherheit folgt die Forderung der Kompatibilität der Kraftstoffe aus unterschiedlichen Quellen

11 Wirtschaftliche Aspekte 2006: 3,4 Mio. Tonnen Biodiesel Entfall der Mineralölsteuer bedeutet: 2,5 Mrd. Euro in Deutschland Steuerausfall Energiepflanzenförderung bedeutet: 45 Mio. Euro direkte Zahlungen an Landwirte

12 Beispiel für Umweltanforderungen: Methodik der Well to Wheel Analyse am Beispiel des Rapsmethylesters 1. Analyse des Erstellungspfades 2. Quantifizierung - Treibhausgase (CO 2, N 2 O, CH 4 als CO 2 - Äquivalent) - Energie (fossil, nuklear, reg.) - ggf. weitere Ressourcen bei der Herstellung 3. Emissionen bei Umsetzung im Fahrzeug Well to Tank + Tank to Wheel muss einen guten Wert ergeben

13 Emissionsgesetzgebungsstandards weltweit stellen hohe Anforderungen an Motor und Fahrzeug EU Argentinia Australia Chile Euro 4 Euro 5 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 2 ECE 83/05 - Euro 4 Euro 3 Euro 4 Euro 2 Euro 3 Euro 4 China South Corea Euro 3 Euro 4

14 Motormaßnahmen Einspritzung Verbrennung Turboaufladung Abgasrückführung Temperaturmanagement Homogenisierung

15 Maßnahmen der Abgasnachbehandlung Differenzdruck sensoren Diesel Oxidations Katalysator λ-sensor Diesel Partikel Filter DPF AGR Filter λ-sensor H 2 S Sperrkat Temperatursensoren Abgasklappe NO x - Speicherkat Aus den Umweltschutzanforderungen folgt die Forderung nach Verträglichkeit mit Komponenten des Antriebsstranges

16 Weiterentwickelte konventionelle Motoren: RME - Einfluss bei abgesenkter Motorkompression Emissionsveränderung [%] 250% 200% 150% 100% 50% 0% -50% normale Verdichtung abgesenkte Verdichtung (ohne Anpassungen) Reines Kaltstartproblem HC CO NOx Partikel -100%

17 Beispiel für Technologieverträglichkeit: Alterung des Oxidationskatalysators Relative CO-Emission in % 100 EU IV-Grenzwert EU III Dieselkraftstoff Biodiesel EU IV - Dieselkraftstoff gefahrene Kilometer CA

18 Beispiel für Sicherheitsaspekte

19 Denkbare alternativer Dieselkraftstoffe Methanol DME FAME Ethanol Diesel hydriertes Pflanzenöl Pflanzenöl CTL GTL FAEE BTL Erdgas Unübersichtliche Situation

20 Eigenschaften alternativer Kraftstoffe mit guter Selbstentzündung Fettsäuremethylester Dieselkraftstoff Pflanzenöl Hydriertes Pflanzenöl Fettsäureethylester Dimethylether (DME) Energieinhalt [MJ/kg] 41 bis Siedebereich [ C] 180 bis 360 > 350 (unter Zersetzung) bis bis Zündfähigkeit [CZ] 40 bis bis 35 > bis bis 57 > 60 Mischbarkeit mit DK Ja Ja Ja Ja Nein (Gas) Viskosität 1,5 bis 4,5 30 bis 35 2,9 bis 3,5 4,5 bis 8,0 4,5 bis 8,0 Gas [mm 2 /s] Sonstiges nicht wassergefährdend wassergefährdend wassergefährdend nicht wassergefährdend nicht wassergefährdend bei Kontakt mit Luft: Peroxide

21 Technologieverträglichkeit alternativer Kraftstoffe mit guter Selbstentzündung Fettsäuremethylester Dieselkraftstoff Pflanzenöl Hydriertes Pflanzenöl Fettsäureethylester Dimethylether (DME) Auslegungskraftstoff Verträglichkeit mit Einspritzsystem 2 - Tanksystem mit Vorheizung ja ja ja Komplett neues System notwendig Auslegungskraftstoff Verträglichkeit mit DPF 2 - Tanksystem Vorheizung ja Nein, es sei denn 2 Tank Nein, es sei denn 2 Tank Obsolet Sonstiges Starke Qualitätsstreuung Schädigt Motorenöl, Kraftstofffilter, etc. Konstante Qualität Als Blend bedingt DPF verträglich Als Blend bedingt DPF verträglich Bei Kontakt mit Luft: Peroxide

22 Wie passen Technologien und alternative Kraftstoffe zusammen? EU III Verbrennung EU III Kat EU IV Verbrennung EU IV Kat DPF US 07 Verbrennung NSK CCS Bewertungskriterien: Emissionen Verbrauch Fahrbarkeit/Komfort Kaltstart Aufwand mechanische Verträglichkeit PÖL PÖL - Blend FAME FAME B20 FAME B5 DK (EU IV) Hydrierte Pflanzenöle DME

23 Bewertung Pflanzenöl EU III Verbrennung EU III Kat EU IV Verbrennung EU IV Kat?? PÖL PÖL - Blend FAME FAME B20 DPF US 07 Verbrennung NSK CCS Siedebeginn 350 C, CZ ca.30, Heizwert 36 MJ/kg Pflanzenöl (auch als Blendkomponente) kann nicht an einem unangepassten PD Motor betrieben werden Vorstellbar ist allenfalls ein 2 Tanksystem, das jedoch u.a. auf die 10 fache Viskosität ausgelegt werden muss und eine leistungsstarke Heizung enthält FAME B5 DK (EU IV) Hydrierte Pflanzenöle DME

24 Bewertung FAME EU III Verbrennung EU III Kat EU IV Verbrennung EU IV Kat DPF US 07 Verbrennung?? Siedebeginn 330 C, CZ ca.50, Heizwert 37 MJ/kg Für EU III Konzepte kann FAME eingesetzt werden Für EU IV Konzepte ohne DPF treten teilweise stärkere Beeinträchtigungen auf, die durch Applikationsmaßnahmen minimiert werden können FAME FAME B20 FAME B5 DK (EU IV) NSK CCS Für Konzepte mit Dieselpartikelfilter kann reiner Biodiesel nicht mehr eingesetzt werden FAME als Blend (bis B20) kann mit minimalen Änderungen im Standard Dieselfahrzeug eingesetzt werden Hydrierte Pflanzenöle DME

25 Bewertung Dimethylether EU III Verbrennung EU III Kat EU IV Verbrennung EU IV Kat DPF DME FAME FAME B20 FAME B5 DK (EU IV) Hydrierte Pflanzenöle US 07 Verbrennung NSK Siedebeginn -25 C, CZ > 60; sehr niedriger Energieinhalt Dimethylether ist ein explosionsgefährliches Gas Zum Einsatz von Dimethylether muss ein Flüssiggassystem parallel zum Kraftstoffsystem aufgebaut werden Eine komplett neue Motorentwicklung wird notwendig CCS

26 Eigenschaften alternativer Kraftstoffe mit schlechter Selbstentzündung Dieselkraftstoff Methanol Ethanol Erdgas (CNG) Energieinhalt [MJ/kg] 41 bis Siedebereich [ C] 180 bis Zündfähigkeit [CZ] 40 bis 75 0 (geschätzt) 0 (geschätzt) 0 (geschätzt) Mischbarkeit mit DK Nur mit Emulgatoren Nur mit Emulgatoren Nein (Gas) Viskosität 1,5 bis 4,5 ca. 0,3 ca. 1,0 Gas [mm 2 /s] Sonstiges wassergefährdend Kein Diesel Kein Diesel auch als Biogas möglich

27 Technologieverträglichkeit alternativer Kraftstoffe mit schlechter Selbstentzündung Dieselkraftstoff Methanol Ethanol Erdgas (CNG) Auslegungskraftstoff Verträglichkeit mit Einspritzsystem Neues Niederdruck system nötig Neues Niederdruck system nötig Komplett neues Sytem notwendig Auslegungskraftstoff Verträglichkeit mit DPF Ja Ja Obsolet Sonstiges Starke Qualitätsstreuung Neues Tanksystem nötig Neues Tanksystem nötig Fremdzündung notwendig

28 Synthetische Kraftstoffe Eigenschaften können Bei Planung der Anlage definiert werden: Prozeß Gruppe GTL (Gas to Liquid) Synfuel CTL (Coal to Liquid) Synfuel BTL (Biomass to Liquid) Sunfuel - Cetanzahl - stoffliche Zusammensetzung - Siedelage Produkt Sundiesel = 2. Generation Biokraftstoffe

29 Produktion von GTL im Malaysia Energieinhalt 43 MJ/kg Siedebereich 180 bis 360 C CZ ca. 80 Mischbarkeit mit DK beliebig Viskosität ca. 3,2 mm 2 /s

30 GtL im 1,9ltr 74kW VW-Dieselmotor* 0,035 Partikel-Emission [g/km] 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 Euro 4 Diesel SMDS 0,000 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 NOx Emission [g/km] *Flottenversuch mit 20 Fahrzeugen

31 Neue, synthetische Kraftstoffe speziell für neues Brennverfahren Kraftstoffpotenziale Ausgewählter Betriebspunkt Referenz-PD NOx-Emission [g/h] Naphtha Siedelage Kerosin Siedelage Diesel 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Russzahl [FSN]

32 Weltweites Konzept zum Einsatz alternativer Kraftstoffe Definition allgemein anerkannter Technologieschritte im Powertrain Sicherstellung der Rohstoffversorgung Bewertung der Komponenten nach den genannten Kriterien Vermeidung von Insellösungen bzgl. Kraftstoffeigenschaften Geeignete Maßnahmen zur Förderung Aufbau eine Infrastruktur

33 Technologieschritte zur Emissionserfüllung EU I + Oxidations- katalysator EU II +S < 2000 ppm + Hochdruck- einspritzung + AGR EU III + S < 500 ppm + CZ > 49 + DPF + variabler Turbolader EU IV +S < 50 ppm bzw. < 10 ppm +CZ > 51 + Mehrfach- einspritzung + ND - AGR EU V + Tri + < 2% +Metallfrei +definierte Energiedichte + NO x Kat + HCCI EU VI +S < <10 ppm + 51< CZ < 61 + abgesenkte Siedelage + neue Parameter

34 Beispiel: Verträglichkeit moderner Motortechnologie mit Biodiesel Blends notwendig Siedelage, Asche, Energieinhalt nicht akzeptabel CZ, Schwefelgehalt akzeptabel EU II Siedelage wird kritisch EU III Oxidationskatalysator, Brennverfahren EU IV abgesenkte Verdichtung EU V DPF

35 Weltweiter Einsatz von Biodiesel aus verschiedenen Rohstoffen unterschiedlicher Qualität Raps Rinderfett Soja Tierfette, Altspeise- Fette Biodiesel - Einsatz Biodiesel - Einführung Keine Sonnenblumen Soja, Rizinus Distel Jatropha Raps Palme Fischtran

36 Kapazitätspotenziale Kraftstoffe in der EU

37 Schaffung von Bewußtsein Fillmore aus dem Pixar Film Cars..und Sympathie

38 Mittelfristig werden Blends eingesetzt Diesel Kraftstoff aus Mineralölbasiertem Diesel, Gas to Liquid, und Biodiesel

39 Meilensteine der Volkswagen - Kraftstoffstrategie Kraftstoffevolution: SynFuel erdgasbasiert SunFuel regenerativ Wasserstoff? regenerativ verbesserte Biokraftstoffe : Premium DK RdW Biodiesel Diesel/Otto Kraftstoff erdölbasiert 2008: Premium DK 2. Generation Deutschland/Europa für Green Diesel? 2007: Biokraftstoffe Brasilien 2006/07: USA/EU höhere Beimengung biogener Komponenten 2006 bis 08: Biokraftstoffe Asien 2005/06: USA B5 in akzeptabler Qualität 2005: Premium DK Deutschland 5% GtL - Beimengung 2006: Neuseeland B : Euro Diesel RdW

40 Forschungsbedarf effiziente Herstellung - Bodennutzung, Fruchtfolgen - GHG Potential - Mengenoptimierung - Kraftstoffgenerierung - Nutzung von Koppelprodukten optimale Kraftstoffparameter - wechselseitige Anpassung von Kraftstoff und Motor - Einengung der Toleranzen - Minimierung schädlicher Emissionen - Stabilität

41 Bsp.: Partikelemissionen eines EU IV Passats mit unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten Brasilianische Dieselqualitäten Basis: 500 mg/kg Schwefel Zwei Chargen B 20 Soja - Ethylester B 20 Soja - Methylester europäische Dieselqualitäten Basis 10 mg/kg Schwefel B 20 Raps Methylester

42 Flottenversuch der Volkswagen AG in Braslien Flottenversuch mit Fahrzeugen zwischen 1,5 to und 18 to im realen Betrieb mehrere Jahre Biodieselmischkraftstoffe aus verschiedenen Ölen Methyl- und Ethylester

43 Fazit Alternative Kraftstoffe werden schnell noch größere Bedeutung als bisher erlangen Die Entscheidung, welche Pfade beschritten werden, hängt von der Machbarkeit, vom Mengenpotential, von der GHG Bilanz und vor allem von der Technologieverträglichkeit ab Dabei ist es notwendig, Komponenten aus unterschiedlichen Quellen in einen Einheitskraftstoff zu integrieren, dessen Qualität stetig ansteigt

44 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit