Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

Transkript

1 Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt ÖGEW Herbsttagung 2017 Herausforderung an Mobilität und Transport Denis Notheis (M.Sc.), Dr.-Ing Olaf Toedter, Dr. -Ing. Uwe Wagner, INSTITUT FÜR KOLBENMASCHINEN Leiter NO 2 CO / HC PM Quelle: ETCACM_TP_2016_6_AQMaps2014 KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Motivation realer Blick auf die Emissionsentwicklung des Dieselmotors und der Immissionsbelastung Wie sehen die Emissionen moderner Dieselfahrzeuge aus? Wie entwickelt sich die zukünftige verkehrsbedingte Immissionsbelastung? Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

3 Gliederung Motivation Betrachtung der Emissionsbelastung Gesetzgebung / Zertifizierung Fazit Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

4 Betrachtung der Emissionsbelastung Funktionsprinzip und Emissionen eines Verbrennungsmotors Verbrennung Kraftstoff Sauerstoff Wasser C0 2 mechanische Energie Emissionen H H H C C O O H H.. H Verbrennung O H O C O Beispielhafte Abgaszusammensetzung eines modernen EU6 Dieselmotors Unerwünschte Emissionen Nach AGN: Angabe in Masse-% Kohlenmonoxid CO von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet Kohlenwasserstoff HC von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet Schwefeloxide Partikel Stickstoffoxide SO x PM NO x von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet Feinstaub Stickoxide, Ozon?? Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

5 2 Betrachtung der Emissionsbelastung Gesamtsituation Feinstaub/PM 10 in Deutschland Straßenverkehr Auf/Ab 31% 12,6 μg/m 3 PM 10 Großräumiger Hintergrund 28% 11,0 μg/m 3 Straßenverkehr Abgas 6% 2,2 μg/m 3 Sonstige 1% 0,5 μg/m 3 Kl. u. mittlere Feuerungsanlagen 7% 2,7 μg/m 3 Industrie <1% <1 μg/m 3 Straßenverkehr Auf/Ab 8% 3,2 μg/m 3 Lokale Gesamt- Belastung hinter- 45% grund- niveau 55% Industrie, Gewerbe 1% 0,3 μg/m 3 Kl. u. mittlere Feuerungsanlagen 15% 6,0 μg/m 3 Offroad, Biogene, Sonstige 2% 0,9 μg/m 3 Straßenverkehr Abgas 1% 0,6 μg/m 3 Quelle: Christoph Erdmenger; Ministerium für Transport und Infrastruktur Baden Württemberg; IFKM/KIT NO X Conference, Heidelberg, Der Verbrennungsmotoren / Dieselbeitrag zur Feinstaubthematik ist sehr gering! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

6 2 Betrachtung der Emissionsbelastung Wirkung des Dieselpartikelfilters Partikelemission vor Partikelfilter Partikelemission nach Partikelfilter Quelle: A. Mayer, M. Wyser, J. Czerwinski, J.-L. Petermann Erfahrungen mit Partikelfilter-Nachrüstungen bei Baumaschinen in der Schweiz, FAD-Konferenz 2003 Die Partikelbelastung des Abgases von Dieselfahrzeugen ist zum Teil geringer als die Partikelbelastung der Stadtluft und des städtischen Hintergrunds! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

7 2 Betrachtung der Emissionsbelastung Herausforderung Dieselpartikelfilter DPF Eintritt Abgase Austritt Abgase Abgas wird durch Substrat geleitet Quelle: T. Koch, U. Gärtner; Interaktion zwischen thermodynamischen Prozessgrößen des NFZ-Motors und charakteristischen Anforderungen der AGN am Beispiel der Sauerstoffkonzentration, Heavy Duty-, On- und Off-Highway-Motoren, November 2008 Abscheidung der Rußpartikel beim Übergang zwischen zwei Zellen Zurück bleiben Kohlenstoff und Asche Filter wird beladen Zu hohe Rußbeladung Gefahr der Filterzerstörung / Betriebsstörung Eine sichere Regeneration der Rußbeladung ist die größte Herausforderung! Nach langjähriger Einsatzerfahrung im Griff! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

8 PM 10 [µg/m³] Betrachtung der Emissionsbelastung PM 10 Betrachtung Österreichs - Jahresmittelwerte Verkehr : Verkehrsnahe städtische Messstellen Stadt : Städtische Hintergrundmessstellen ländlich : Ländliche Hintergrundmessstellen. Quelle: Umweltbundesamt Österreich: Jahresbericht der Luftgütemessung 2016 PM10 Emissionen nehmen kontinuierlich ab! Einfluss des Verkehrs vor allem auch durch Reifenabtrieb! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

9 Betrachtung der Emissionsbelastung Beispielhafte Abgaszusammensetzung eines modernen EU6 Dieselmotors Unerwünschte Emissionen Nach AGN: Angabe in Masse-% Kohlenmonoxid Kohlenwasserstoff Schwefeloxide Partikel Stickstoffoxide CO HC SO x PM NO x von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet Feinstaub Stickoxide, Ozon? Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

10 2 Betrachtung der Emissionsbelastung Emissionsentstehung: NO x Was ist NO x? Es existieren 9 Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen (Stickoxide) NO x ist ein Sammelbegriff für verschiedene Stickoxidverbindungen, i.d.r. NO und NO 2 Formel N 4 O N 2 O N 4 O 2 NO N 2 O 3 Bezeichnung Nitrosylazid Distickstoffmonoxid Nitrylazid Stickstoffmonoxid Distickstoffdioxid relevant als motorische Emission entsteht während der Verbrennung überwiegend N 4 O 6 NO 2 Trinitramid Stickstoffdioxid relevant als Immission reagiert mit O 2 zu NO 2 N 2 O 4 Distickstofftertoxid N 2 O 5 Distickstoffpentoxid NO entsteht unter Anwesenheit von Sauerstoff und hohen Temperaturen (>2000 K) Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

11 Betrachtung der Emissionsbelastung Technologie EURO 5 Hochdruck AGR mit DOC und DPF 100% NOx HD-AGR HD-AGR 80% 60% 40% 20% 0% AGR-Rate [%] DOC + DPF DOC + DPF DOC DPF HD-AGR: Hochdruck-Abgasrückführung Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) ist bei EURO5 die wesentliche NO x -Reduzierungstechnologie gewesen! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

12 Bild: Zhu et al., Investigation of Deposits in Urea-SCR System Based on Vehicle Road Test, SAE Paper Betrachtung der Emissionsbelastung Technologie EURO 6 (erste Generation) 100 % AdBlue- Dosierfreigabe [%] typ. Häufigkeit Temperatur im Stadtverkehr [-]!! Anhebung Abgastemperatur Wirkungsgrad schlechter CO 2 -Nachteil 100 C 200 C 300 C Abgastemperatur SCR [ C] Anhebung Abgastemperatur auf größer 200 C ist die entscheidende Herausforderung bei Dieselsystemen mit SCR! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

13 3 Betrachtung der Emissionsbelastung NO 2 -Quellen und großflächige Verteilung Straßenverkehr 53% 47,3 μg/m 3 NO 2 Großräumiger Hintergrund 7% 6,0 μg/m 3 Jahresmittelwert 2010 (Messung) Kl. u. mittlere Feuerungsanlagen 10% 8,9 μg/m 3 Sonstige, Offroad 2% 1,5 μg/m 3 Industrie <1% <1 μg/m 3 Lokale Belastung 59% Gesamt -hintergrundniveau 41% Industrie, Offroad, Sonstige 5% 4,9 μg/m 3 Kl. u. mittlere Feuerungsanlagen 4% 3,2 μg/m 3 Straßenverkehr 19% 17,2 μg/m 3 Quelle: Christoph Erdmenger; Ministerium für Transport und Infrastruktur Baden Württemberg;, IFKM/KIT NO X Conference, Heidelberg, Quelle: LUBW Straßennah liegen deutliche NO 2 -Immissionsgrenzwertüberschreitungen vor! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

14 Betrachtung der Emissionsbelastung Immissionssituation NO 2 am Beispiel Stuttgart Neckartor b Tägliches Verkehrsvolumen in Stuttgart am Neckartor in PKW lnfz snfz gesamt ( in 2013) Quelle: Peel, Colorado State University: Is NO 2 a Marker for Effects of Traffic Pollution or a Pollutant on ist own, HEI Annual Meeting, Philadelphia, 2015 Das Neckartor ist die Messstelle mit den höchsten NO 2 -Werten, welche in Deutschland gefunden wurde. Es ist eine Hot-Spot Messung! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

15 NOx [µg/m³] Betrachtung der Emissionsbelastung NOx Betrachtung Österreichs - Jahresmittelwerte Verkehr : Verkehrsnahe städtische Messstellen Stadt : Städtische Hintergrundmessstellen ländlich : Ländliche Hintergrundmessstellen. Quelle: Umweltbundesamt Österreich: Jahresbericht der Luftgütemessung 2016 Stickoxidemissionen nehmen seit 2005 mit Einführung der Euro 4 Norm deutlich ab! Einfluss des Verkehrs noch zu hoch! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

16 Betrachtung der Emissionsbelastung Beispielhafte Abgaszusammensetzung eines modernen EU6 Dieselmotors Unerwünschte Emissionen Nach AGN: Angabe in Masse-% Kohlenmonoxid Kohlenwasserstoff Schwefeloxide Partikel Stickstoffoxide CO HC SO x PM NO x von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet Feinstaub Stickoxide, Ozon? Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

17 Gliederung Motivation Betrachtung der Emissionen Gesetzgebung / Zertifizierung Fazit Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

18 v Pkw [km/h] Neue RDE-Welt! v Pkw [km/h] v Pkw [km/h] Gesetzgebung / Zertifizierung Emissionsgesetzgebung, Fahrzyklen und Emissionsgrenzwerte EURO 1-6a/b Der Gesetzgeber fordert eine Einhaltung im Rollentest, wünscht sich Realemissionsverhalten und gestattet in Grauzonen sinnvolle Ausnahmen! 4* ECE EUDC Zeit ~20Min Strecke ~11km v max = 120 km/h RDE (Real Driving Emissions) low med high xhigh NEFZ WLTP RDE Quelle: LUBW Zeit [s] PM10 0,14 0,10 0,05 0,025 0,005 0,0045 NO x 0,97 * 0,7 * 0,5 0,25 0,18 0,08 0,08 * HC+ NO x (0,125) [g/km] Zeit [s] 30Min Strecke ~23km v max = 131km/h 0,0045 0,0045 0,08 EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 EURO6dTemp EURO6d final Zeit [s] >90Min Strecke >48km 4* ECE + EUDC NEFZ WLTP + RDE Eine Zertifizierung erfolgte in der Vergangenheit ausschließlich im nicht realitätsnahen NEFZ-Zyklus unter definierten Randbedingungen Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

19 v Pkw [km/h] Neue RDE-Welt! v Pkw [km/h] v Pkw [km/h] Gesetzgebung / Zertifizierung Emissionsgesetzgebung, Fahrzyklen und Emissionsgrenzwerte EURO 1-6a/b Der Gesetzgeber fordert eine Einhaltung im Rollentest, wünscht sich Realemissionsverhalten und gestattet in Grauzonen sinnvolle Ausnahmen! 4* ECE EUDC Zeit ~20Min Strecke ~11km v max = 120 km/h RDE (Real Driving Emissions) low med high xhigh NEFZ WLTP RDE Quelle: LUBW Zeit [s] PM10 0,14 0,10 0,05 0,025 0,005 0,0045 NO x 0,97 * 0,7 * 0,5 0,25 0,18 0,08 0,08 * HC+ NO x [g/km] Zeit [s] 30Min Strecke ~23km v max = 131km/h 0,0045 (0,168) 0,0045 0,08 (0,120) EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 EURO 6d Temp EURO 6d final Zeit [s] >90Min Strecke >48km 4* ECE + EUDC NEFZ WLTP + RDE In den letzten 20 Jahren wurden die Zielemissionen deutlich abgesenkt, aber erst ab EURO 6d Temp (2017) werden NO x -Emissionen im Realbetrieb vorgeschrieben Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

20 3 Gesetzgebung / Zertifizierung Technologie EURO 6d (zweite Generation) 100 % AdBlue- Dosierfreigabe [%] typ. Häufigkeit Temperatur im Stadtverkehr [-] Euro 6a (Unterboden)! Euro 6d (motornah) 100 C 200 C 300 C Abgastemperatur SCR [ C] Mit der motornahen AGN wird die Temperaturproblematik deutlich verbessert! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

21 Gesetzgebung / Zertifizierung Fahrzeugemissionen NO x im Realbetrieb NEFZ Fahrt/ Fzg.1 Fahrt/ Fzg.2 Fahrt/ Fzg.3 Fahrt/ Fzg.4 Pressefahrten heute IFKM- Fahrten Es liegt eine deutliche NO x -Überschreitung des NEFZ-Grenzwertes von 180 mg/km bei EURO 5 und 80 mg/km bei EURO 6a/b vor Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

22 Gesetzgebung / Zertifizierung Erste RDE Fahrzeuge (EURO 6 d, temp ) AUDI Q7 3.0l V6 Leistung max. 200 kw Abgasnachbehandlung DOC und SDPF Hochdruck-AGR BWM 730d 3.0l R6 Leistung max. 195 kw Abgasnachbehandlung DOC-NSK, DPF und SCR Hoch- und Niederdruck-AGR Mercedes-Benz E220d 2.0l R4 Leistung max. 143 kw Abgasnachbehandlung DOC und SDPF Hoch- und Niederdruck-AGR Volkswagen Tiguan 2.0l R4 Leistung max. 140 kw Abgasnachbehandlung DOC und SDPF Hoch- und Niederdruck-AGR Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

23 3 Gesetzgebung / Zertifizierung Fahrzeugemissionen NO x im Realbetrieb Fahrt/ Fzg.1 Fahrt/ Fzg.2 Fahrt/ Fzg.3 Fahrt/ Fzg.4 Pressefahrten IFKM- Fahrten Deutliche Unterschreitung des NO x -Grenzwertes im alltäglichen Fahrbetrieb. (Bei RDE EURO 6d temp 168mg/km zulässig, bei EURO 6d final 120mg/km) Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

24 NO 2 [mg/m 3 ] Annahmen: Hintergrundbelastung LUBW 2020 PKW Diesel: mg/km -> 60 mg/km PKW Otto: mg/km -> 30 mg/km lnfz: Rückgang wie PKW-Diesel, Truck -75% NO 2 /NO x Verhältnis identisch, gleicher Fzg-Mix 1 Gesetzgebung / Zertifizierung Potentialanalyse: Ersatz der heutigen Fahrzeugflotte durch heutige verfügbare Besttechnologie Potential der Immissionsentwicklung in Stuttgart am Neckartor 2017 mit Hintergrund EURO5 15 EURO4 8,5 EURO3 2 Industrie Feuerung Kraftwerke großräum. Hintergrund 25, Quelle: Eingangsdaten der LUBW, Berechnung von Koch 2014 PKW- Diesel PKW-Otto lnfz/krad snfz Verkehr Hintergrund belastung , Verkehr gesamt: 9 Technologiepotential 2017 Technologisch ist die Stickoxidthematik in der Zwischenzeit gelöst! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

25 Betrachtung der Emissionsbelastung Beispielhafte Abgaszusammensetzung eines modernen EU6 Dieselmotors Unerwünschte Emissionen Nach AGN: Angabe in Masse-% Kohlenmonoxid Kohlenwasserstoff Schwefeloxide Partikel Stickstoffoxide CO HC SO x PM NO x von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet von Umweltmessstationen typischerweise nicht mehr aufgezeichnet Feinstaub Stickoxide, Ozon Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

26 Der Einfluss des Diesels auf die Umwelt Zusammenfassung Wie sehen die Emissionen moderner Dieselfahrzeuge aus? Mit EURO6d und RDE sind dringende notwendige gesetzliche Rahmenbedingungen geschaffen Verkehrsbedingte Schadstoffemissionsfragen sind technisch gelöst Wie entwickelt sich die zukünftige verkehrsbedingte Immissionsbelastung? Immissionsbelastung der Partikel und Stickoxide ist rückläufig Nach Bestandsdurchdringung modernen Diesel ist die verkehrsbedingte Immissionsfragen gelöst Beitrag des Dieselmotors zum Schutz des Klimas möglich und auch erforderlich Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

27 Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit INSTITUT FÜR KOLBENMASCHINEN Leiter NO 2 CO / HC PM KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

28 Gesetzgebung / Zertifizierung Entwicklung von NO 2 in Baden-Württemberg Jahresmittelwert 2010 (Messung) Jahresmittelwert 2020 (Modellrechnung) Stuttgart 2. Karlsruhe 3. Rhein-Neckar-Kreis 4. Heilbronn 5. Freiburg Quelle: LUBW Eine signifikante Verbesserung der NO 2 -Immissionssituation ist seit 10 Jahren zu beobachten und zeichnet sich auch in der Zukunft ab Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

29 2 Anhang Emissionsentstehung Rußbildung T = 2700 K NO x -Bildung Rußbildung Quelle: Bild oben links: Rolls-Royce Power Systems Film unten links: D. Bertsch, Dissertation Je nach Randbedingung entstehen in einem bestimmten Verhältnis immer Ruß und Stickoxide bei der dieselmotorischen Verbrennung Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

30 3 Anhang Immissionssituation Stuttgart/Neckartor Am Messcontainer 78 µg/m³ * ) Dachfläche, 30m 20 µg/m³ * ) Fahrradraum, EG 28 µg/m³ * ) Messungen mit Unterstützung und Messtechnik vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK, KIT) Herzlichen Dank an Dr. C. Mohr, Dr. H. Saathoff und Prof. T. Leisner Außenmessung (1 Orte) LUBW Referenzwert im Messzeitfenster µg/m³ Innenmessungen (4 Orte) Höhenmessungen (1 Ort) Referenzmessstelle der LUBW Flur, 1.OG * ) Werte gemessen am durch IFKM / KIT 29 µg/m³ * ) Im und auf dem Gebäude unmittelbar am Hot-Spot Neckartor liegen die NO 2 -Werte mit Ausnahme des Eingangsbereichs unter 30 mg/m 3! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

31 1 Anhang Vorteil von O 2 -haltigem Kraftstoff bei der Verbrennung Quelle: Lumpp et al., OXYMETHYLENETHER ALS DIESELKRAFTSTOFFZUSÄTZE DER ZUKUNFT, MTZ 03I2011 Quelle: Homepage Profilregion Mobilitätssysteme Karlsruhe Beispiel OME (Oxymethylenether): ähnliche physikalische Eigenschaften wie Diesel, Mischbarkeit, deutlich reduzierte Rußbildung bis zur Nachweisgrenze Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

32 4 Anhang Immission: NO 2 und Ozon NO 2 Ozon Quelle: ETCACM_TP_2016_6_AQMaps2014 Sonnenstrahlung fördert Ozonbildung, entweder in der Höhe oder bei Sonnenschein! Unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC fördern die Bildung von Ozon! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

33 3 Anhang Technologie EURO 6d (zweite Generation) [2] [1] [2] [1] [3] [4] Quelle: [1] Brück, Cartus et al. Die Vision eines motornahen Nutzfahrzeugkatalysatorsystems; Emissionsminderung unter allen Betriebsbedingungen, 2014 [2] Daimler AG, 2017 [3] BMW Group, 2017 [4] Lückert, Der neue 4-Zylinder Diesel Motor OM654 von Mercedes-Benz. Die innovative Basismotorisierung der neuen Diesel Generation, 2016 Motornahe, kompakte NO x -Abgasnachbehandlung ist nach 10 Jahren Entwicklung in Serie überführt! Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

34 NO x -Emissionen [mg/km] Anhang Ansatz der neuen RDE Gesetzgebung (EURO 6d temp in 09/2017) ungültiger Bereich niedrige Last (z.b, Stau) gültiger Bereich normales Fahren ungültiger hohe Last Bereich (z.b. Steigung) RDE-Stadt Stop & Go NEFZ WLTP RDE- Teststrecke EURO 6d temp RDE- Entwicklungsstand EURO6d final RDE- Weiterentwicklung RDE-Runde mit Passfahrt EURO 6d temp : KF=2,1 80mg/km*2,1=168mg/km EURO 6d final : KF=1,5 80mg/km*1,5=120mg/km V * a pos - Faktor für Herausforderung/Klassifizierung der RDE Fahrstrecke Normalbereich Faktor 2,1 (später 1,5) wird benötigt für scharfe Fahrzustände/Messungenauigkeit. Normale Fahrzustände bis 0 C führen zu niedrigeren NO x -Emissionen als 80 mg/km Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt

35 2 Anhang Entwicklung von PM 10 in Baden-Württemberg Jahresmittelwert 2010 (Messung) Jahresmittelwert 2020 (Modellrechnung) Stuttgart 2. Karlsruhe 3. Rhein-Neckar-Kreis 4. Heilbronn 5. Freiburg Quelle: LUBW Eine signifikante Verbesserung der Partikelimmissionssituation ist seit 30 Jahren zu beobachten und zeichnet sich auch in Zukunft ab Der Dieselmotor und sein Einfluss auf die Umwelt