Emissionsmessungen an Bussen mit stickoxidreduzierenden Nachrüstungen

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1 Emissionsmessungen an Bussen mit stickoxidreduzierenden Nachrüstungen Warum NO x -reduzierende Nachrüstung? Projektvorstellung Möglichkeiten der NO x - reduzierenden Nachrüstung Vermessene Fahrzeugkonzepte Messorte Fazit Herausforderung NO 2 -Immissionen- Gesetzgebung, Luftbelastung, Lösungen Heidelberg, 3. und 4. März 2010

2 Warum NO x -reduzierende Nachrüstung? Motivation für NO x -reduzierende Nachrüstung ist die EU- Rahmenrichtlinie über die Beurteilung und die Kontrolle der Luftqualität (RL 96/62/EG) und die zugehörigen Tochterrichtlinien (z.b. 1999/30/EG, 2000/69/EG, 2002/3/EG) - Verschärfte Grenzwerte für NO 2 ab Messung der Immissionssituation in Städten - Eventuelle Aufstellung von Luftreinhalteplänen Ein großer Teil der aktuellen Buspopulation sind Fahrzeuge mit einem Emissionsstandard von Euro III oder schlechter. - Verkauf bis Ende Lifecyclezeiten 10 bis 15 Jahre - Fahrzeuge üblicherweise ohne Abgasnachbehandlung, bzw. mit Partikelfiltern zur Feinstaubminderung

3 Warum NO x -reduzierende Nachrüstung? Beispiel aus dem Verkehrsverbund Rhein-Ruhr : Fahrzeuggesamtpopulation: 2836 Fahrzeuge Davon Emissionsstand Euro III und schlechter: 1845 Fahrzeuge 65% (geplanter Stand Ende 2009) Grenzwerte NOx [g/kwh] 10 NO x [g/kwh] Es sollte ein Minderungspotenzial bei der NO x -Emission vorhanden sein! Euro I (1993) Euro II (1996) Euro III (2001) Euro IV (2006) Euro V (2009)

4 Projektvorstellung Schon 2003 wurde in Düsseldorf die Erstellung eines Luftreinhalteplanes bezüglich NO 2 initiiert. Durch das LANUV NRW wurde in Zusammenarbeit mit der Stadt Düsseldorf und der Rheinbahn ein Projekt zur Nachrüstung von in Betrieb befindlichen Bussen angestoßen. Ergänzt wurde dieses Projekt noch durch weitere Messungen in Hagen mit nachgerüsteten Bussen und neuen EEV-Bussen. Auch die Stadt Düsseldorf steuerte noch weitere Messungen mit einem nachgerüsteten Bus bei. Im September 2009 wurden auch in Stuttgart durch die Stuttgarter Straßenbahn AG und das LUBW Messungen an einem nachgerüsteten Bus durchgeführt.

5 Möglichkeiten der NO x -reduzierenden Nachrüstung NO 2 /NO x -Verhältnis des Diesel-Rohabgases ca. 3 10% - Nachrüstung mit oxidierenden Techniken (Oxidationskatalysator, CRT -System, beschichtete Partikelfilter) führen zu einer Verschiebung dieses Verhältnisses zu höheren NO 2 -Werten - Erhöhte NO 2 -Werte sind für die Regeneration von Partikelfiltern und auch für den Betrieb von SCR-Systemen erwünscht Innermotorische Maßnahmen zur NO x -Reduktion (als Nachrüstung) - Veränderung der motorischen Verbrennung

6 Möglichkeiten der NO x -reduzierenden Nachrüstung Partikel - NOx 0,35 0,30 0,25 Partikel [g/kwh] 0,20 0,15 0,10 0,05 EURO III z.b. Veränderung des Einspritzzeitpunktes Zielbereich 0,00 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 NO x [g/kwh] Verbrauchserhöhung, uneffektiv zur Emissionsreduktion

7 Möglichkeiten der NO x -reduzierenden Nachrüstung NO x -Reduktion durch Nachrüstung einer externen AGR (Abgasrückführung) - Zumischung von Abgas zur Verbrennungsluft führt zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen und somit zu einer Reduktion der NO x -Bildung. Ein zweiter Effekt ist der geringere Sauerstoffgehalt im Brennraum, der zu einem geringeren NO x -Bildungspotential führt. - Erhöhung der Abgasrückführraten wirken sich negativ auf die Rauchbildung (Partikelemission) aus, deshalb sind Nachrüstkonzepte meist auf die gleichzeitige Verwendung eines Partikelfilters angewiesen. - Nachrüstung üblicherweise mit einer Niederdruck-AGR, z.b. der Fa. stt-emtec

8 Möglichkeiten der NO x -reduzierenden Nachrüstung Die Reduktion der NO x -Emissionen erfolgt durch eine Niederdruck-AGR in Kombination mit einem aktiv regenerierenden Filtersystem Die Grafik zeigt das Prinzip der Niederdruck-AGR (hier mit einem passiv regenerierenden Filter) 1. Rückführsystem 2. AGR-Kühler 3. AGR-Ventil 4. Turbolader 5. Ladeluftkühler 6. Motor (Verbrennungsraum) 7. Partikelfilter 8. Sekundärfilter 9. Steuergerät 10.Dynamische AGR-Entnahme

9 Möglichkeiten der NO x -reduzierenden Nachrüstung Die Grafik verdeutlicht die Funktionsweise des aktiv regenerierenden Filtersystems. Bei Regenerationsbedarf wird Kraftstoff in das Abgasrohr eingedüst. Der dem Filter vorgeschaltete Oxidationskatalysator erzeugt durch seine exotherme Reaktion die notwendige Wärme, um die Regeneration des Partikelfilters sicherzustellen.

10 Möglichkeiten der NO x -reduzierenden Nachrüstung NO x -Reduktion durch Nachrüstung eines SCR Katalysators (Selective Catalytic Reduction) Quelle: Volvo

11 Vermessene Fahrzeugkonzepte Ausgangsfahrzeuge des ersten Teilprojektes sind Euro III Busse - Solobus mit OEM AGR - Gelenkbus Motorleistung: 220 kw bei min -1 Drehmoment: Nm bei min -1 Getriebe: Voith DIWA D 854.3E, 4-Gang Automatgetriebe Motorleistung: 191 kw bei min -1 Drehmoment: Nm bei min -1 Getriebe: Voith DIWA D 854.3E, 4-Gang Automatgetriebe Nachrüstkonzept ist die Verwendung einer Niederdruck- AGR und eines aktiv regenerierenden Dieselpartikelfilters - In der Solobusanwendung additiv zur OEM AGR - In der Gelenkbusanwendung als alleinige AGR

12 Möglichkeiten der NO x -reduzierenden Nachrüstung Nachrüstkonzept des zweiten Teilprojektes und der Messungen in Stuttgart ist die Verwendung eines SCRT -Systems - nur Euro III Gelenkbus SMF? - Sintermetall Partikelfilter CRT -System SCRT -System SCR-System Urea (AdBlue )-Eindüsung SCR - Kat Sperr - Kat

13 Messorte Messort des ersten Teilprojektes ist die Stadt Düsseldorf - Großstadt, großes Verkehrsaufkommen, Topographie eher flach - die Linien 733 und 780 für den Solobus - die Linien 725 und 780 für den Gelenkbus Messort des zweiten Teilprojektes ist die Stadt Düsseldorf und die Stadt Hagen - Hagen, Stadt am Rande des Sauerlandes, Großstadtcharakter in der Innenstadt, Topographie anspruchsvoller, Stadt mit verkehrstechnischen Besonderheiten - die Linien 512 und 514 werden mit dem Gelenkbus gefahren Dritter Messort ist die Stadt Stuttgart - Stadt in Kessellage, hochanspruchsvolle Topographie - Referenzlinie 42, Linien 40 und 44

14 Messorte Düsseldorf Gelenkbus Leistung in kw Motordrehzahl in min -1 P_kW Nutzleistung

15 Messorte Hagen Gelenkbus Leistung in kw Motordrehzahl in min -1 P_kW Nutzleistung

16 Messorte Stuttgart Gelenkbus Leistung in kw Motordrehzahl in min-1 Volllastkurve kw L40 P_kW

17 (Prüfstandsergebnisse) ESC (Solobusmotor) 8,0 7,0 ohne Nachrüstung 697,7 729,7 6,0 mit Nachrüstung g/kwh für CO2: 100 g/kwh 5,0 4,0 3,0 2,0 3,619 2,016 1,0 0,0 0,735 0,261 0,373 0,015 0,113 0,010 CO HC NOx PT CO2

18 (Prüfstandsergebnisse) ETC (Solobusmotor) 8,0 7,0 ohne Nachrüstung 687,2 710,2 6,0 mit Nachrüstung g/kwh für CO2: 100 g/kwh 5,0 4,0 3,0 2,0 5,256 1,894 1,0 0,0 1,057 0,551 0,248 0,090 0,017 0,014 CO HC NOx PT CO2

19 (Prüfstandsergebnisse) Düsseldorfer Zyklus (Solobusmotor) 8,0 7,0 ohne Nachrüstung 690,5 723,9 mit Nachrüstung 6,0 g/kwh für CO2: 100 g/kwh 5,0 4,0 3,0 2,0 5,281 2,248 1,0 0,0 0,901 0,551 0,220 0,091 0,022 0,016 CO HC NOx PT CO2

20 (Prüfstandsergebnisse) ESC (Gelenkbusmotor) 8,0 7,0 ohne Nachrüstung 661,4 676,3 699,8 g/kwh für CO2: 100 g/kwh 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 mit Nachrüstung 3,5g mit Nachrüstung 2,0g 5,020 3,140 1,640 1,0 0,0 0,620 0,000 0,203 0,000 0,000 0,000 0,079 0,008 0,012 CO HC NOx PT CO2

21 (Prüfstandsergebnisse) ETC (Gelenkbusmotor) 8,0 7,0 ohne Nachrüstung mit Nachrüstung 3,5g 677,4 710,9 728,4 g/kwh für CO2: 100 g/kwh 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 mit Nachrüstung 2,0g 5,453 3,296 1,734 1,0 0,880 0,0 0,280 0,205 0,000 0,000 0,014 0,000 0,012 0,015 CO HC NOx PT CO2

22 (Prüfstandsergebnisse) Düsseldorfer Zyklus (Gelenkbusmotor) 8,0 7,0 ohne Nachrüstung 691,8 698,7 6,0 mit Nachrüstung 3,5g 6,095 g/kwh für CO2: 100 g/kwh 5,0 4,0 3,0 2,0 3,640 1,0 0,0 0,950 0,392 0,215 0,000 0,007 0,077 CO HC NOx PT CO2

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24 Solobus Gesamte Fahrt 40 NO x -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MAN SB

25 Solobus Gesamte Fahrt 40 NO x -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MAN SB MAN SB AGR

26 Solobus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MAN SB

27 Solobus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MAN SB MAN SB AGR

28 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO x -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB

29 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO x -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB MB GB AGR

30 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO x -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB MAN GB CNG MB GB AGR

31 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO x -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB MAN GB CNG MB GB AGR MB GB SCRT (HJS;D)

32 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO x -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB SCRT HJS (1) MB GB MAN GB CNG MB GB AGR MB GB SCRT (HJS;D)

33 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO x -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB SCRT HJS (1) MB GB SCRT HJS (2) MB GB MAN GB CNG MB GB AGR MB GB SCRT (HJS;D)

34 Gelenkbus ,0 C Gesamte Fahrt NO x -Emission in g/km ,3 C 13,8 C Geschwindigkeit in km/h MB GB SCRT HJS (1) MB GB SCRT HJS (2) MB GB MAN GB CNG MB GB AGR MB GB SCRT (HJS;D) MB GB SCRT (Stuttgart)

35 Temperaturhäufigkeit MB GB EEV (Hagen) 25% 100% 23% 90% 20% 80% Häufigkeitsverteilung 18% 15% 13% 10% 8% 5% 70% 60% 50% 40% 30% 20% kumulierte Häufigkeitsverteilung 3% 10% 0% TAb im Endrohr in C 0% Häufigkeit kumulierte Häufigkeit

36 Temperaturhäufigkeit MB GB SCRT (DÜS) 25% 100% 23% 90% 20% 80% Häufigkeitsverteilung 18% 15% 13% 10% 8% 5% 70% 60% 50% 40% 30% 20% kumulierte Häufigkeitsverteilung 3% 10% 0% TAb im Endrohr C 0% Häufigkeit kumulierte Häufigkeit

37 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB

38 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB MB GB AGR

39 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB MAN GB CNG MB GB AGR

40 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB MAN GB CNG MB GB AGR MB GB SCRT (HJS;D)

41 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB SCRT HJS (1) MB GB MAN GB CNG MB GB AGR MB GB SCRT (HJS;D)

42 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB SCRT HJS (1) MB GB SCRT HJS (2) MB GB MAN GB CNG MB GB AGR MB GB SCRT (HJS;D)

43 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB SCRT HJS (1) MB GB SCRT HJS (2) MB GB MAN GB CNG MB GB AGR MB GB SCRT (HJS;D) MB GB SCRT (Stuttgart)

44 SMF? - Sintermetall Partikelfilter CRT -System SCRT -System SCR-System Urea (AdBlue )-Eindüsung SCR - Kat Sperr - Kat TÜV NORD Mobilität GmbH & Co. G

45 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB MB GB AGR

46 Gelenkbus Gesamte Fahrt NO 2 -Emission in g/km Geschwindigkeit in km/h MB GB MB GB AGR MB GB (nach CRT)

47 NO 2 /NOx 1 Arbeitsbereich Thermodynamik Katalyse C 600 C Temperaturbereich in unterschiedlichen Anwendungen

48 Temperaturhäufigkeit (alle Fahrten) 10% 100% 9% 90% 8% 80% Häufigkeitsverteilung 7% 6% 5% 4% 3% 70% 60% 50% 40% 30% kumulierte Häufigkeitsverteilung 2% 20% 1% 10% 0% 0% T Ab vor DPF in C Häufigkeit kumulierte Häufigkeit

49 Fazit Nachrüstung mit Niederdruck-AGR bringt nicht den gewünschten Effekt (NO x - Emissionen ; NO 2 Emissionen durch Oxidationskatalysator); Betriebsverhalten problematisch Nachrüstung mit SCRT -Technik bei geeigneten Randbedingungen sehr sinnvoll Einsatzparameter haben sehr großen Einfluss auf Emissionssituation Jeder Einsatzfall ist individuell zu betrachten Einfluss auf Immissionssituation ist differenziert zu sehen

50 Fazit Nachrüstung (und Neuanschaffung) führen zur Emissionsminderung, vorausgesetzt, es werden die richtigen Technologien für den jeweiligen Einsatzzweck gewählt Auch die Modifikation von vorhandenen Filtersystemen kann zu positiven Effekten bei der NO 2 -Emission führen, was in der Folge sich ebenfalls positiv auf die Immissionssituation auswirken kann

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