Die Zukunft des Dieselmotors

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1 Die Zukunft des Dieselmotors Logistiknacht 2017 im Mercedes Nutzfahrzeugzentrum Kassel, 03. November 2017 Dr.-Ing. Olaf Toedter INSTITUT FÜR KOLBENMASCHINEN Leiter KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Die Zukunft des Dieselmotors Zentrale Aspekte Schadstoffemissionen Gesetzgebung / Zertifizierung CO 2 / Klimawandel / Elektromobilität Die Zukunft des Dieselmotors

4 Schadstoffemissionen Funktionsprinzip Verbrennungsmotors Kraftstoff Sauerstoff Wasser C0 2 mechanische Energie Emissionen H H H H C C O O H.. H + + o c o + + Verbrennung Wandlung der im Brennstoff gebundenen chemischen Energie zunächst in thermische, anschließend durch Triebwerk in mechanische Energie Die Zukunft des Dieselmotors O H

5 2 Schadstoffemissionen 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 Die Zukunft des Dieselmotors

6 1 Schadstoffemissionen Funktionsprinzip und Emissionen eines Verbrennungsmotors Beispielhafte Abgaszusammensetzung eines modernen EU6 Dieselmotors Nach AGN: Angabe in Masse-% Unerwünschte Emissionen 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?? Die Zukunft des Dieselmotors

7 Schadstoffemissionen Emission und Immission Emission Immission Unterscheidung zwischen Emissions- und Immissionsgrenzwerten Die Zukunft des Dieselmotors

8 2 Schadstoffemissionen 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 geringer als die Partikelbelastung der Stadtluft und des städtischen Hintergrunds! Die Zukunft des Dieselmotors

9 2 Schadstoffemissionen 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 PM 10 -Tagesmittelwerte Zahl der Überschreitungstage von 50mg/m 3 (Grenzwert 35 Tage/Jahr) 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 Belastung 45% Gesamthintergrundniveau 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! Die Zukunft des Dieselmotors

10 2 Schadstoffemissionen 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! Die Zukunft des Dieselmotors

11 Schadstoffemissionen Unerwünschte Emissionen 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?? Die Zukunft des Dieselmotors

12 2 Schadstoffemissionen 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 N 4 O 6 NO 2 N 2 O 4 N 2 O 5 Bezeichnung Nitrosylazid Distickstoffmonoxid Nitrylazid Stickstoffmonoxid Distickstoffdioxid Trinitramid Stickstoffdioxid Distickstofftertoxid Distickstoffpentoxid relevant als motorische Emission entsteht während der Verbrennung überwiegend Die Zukunft des Dieselmotors

13 2 Schadstoffemissionen 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) Die Zukunft des Dieselmotors

14 3 Schadstoffemissionen 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 teilweise NO 2 -Immissionsgrenzwertüberschreitungen vor! Die Zukunft des Dieselmotors

15 Schadstoffemissionen NO 2 -Immissionssituation im Zeitverlauf Baden-Württemberg Hessen Quelle: Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie: Lufthygiensischer Jahresbericht 2016 Quelle: LUBW Bericht Umweltdaten Die Zukunft des Dieselmotors

16 Schadstoffemissionen 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! Die Zukunft des Dieselmotors

17 Schadstoffemissionen Unerwünschte Emissionen 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?? Die Zukunft des Dieselmotors

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 RDE (Real Driving Emissions) Der Gesetzgeber fordert eine Einhaltung im Rollentest, gutes Realemissionsverhalten gewünscht, Grauzonen für Ausnahmen! NEFZ Zeit [s] Zeit ~20Min Strecke ~11km v max = 120 km/h low med high xhigh WLTP Zeit [s] 30Min Strecke ~23km v max = 131km/h RDE Zeit [s] >90Min Strecke >48km Quelle: LUBW PM10 0,14 0,10 0,05 0,025 0,005 0,0045 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] 0,0045 EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 EURO6d Temp EURO6d final WLTP + RDE Eine Zertifizierung erfolgte in der Vergangenheit ausschließlich im nicht realitätsnahen NEFZ-Zyklus unter definierten Randbedingungen Die Zukunft des Dieselmotors 0,08

20 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 RDE (Real Driving Emissions) Der Gesetzgeber fordert eine Einhaltung im Rollentest, gutes Realemissionsverhalten gewünscht, Grauzonen für Ausnahmen! NEFZ Zeit ~20Min Strecke ~11km v max = 120 km/h WLTP RDE Quelle: LUBW Zeit [s] Zeit [s] 30Min Strecke ~23km v max = 131km/h Zeit [s] >90Min Strecke >48km PM10 0,14 0,10 0,05 0,025 0,005 0,0045 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] (0,125) 0,0045 0,08 (0,125) EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 EURO 6d Temp EURO 6d final In den letzten 20 Jahren wurden die Zielemissionen deutlich abgesenkt, aber erst ab EURO 6d Temp (2017) werden NO x -Emissionen im Realbetrieb vorgeschrieben Die Zukunft des Dieselmotors

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 Die Zukunft des Dieselmotors

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 Die Zukunft des Dieselmotors

23 3 Gesetzgebung / Zertifizierung Fahrzeugemissionen NO x im Realbetrieb (RDE) 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) Die Zukunft des Dieselmotors

24 3 Gesetzgebung / Zertifizierung SCR-Technologie EURO 6 und EURO 6d (erste und zweite Gen.) 100 % AdBlue- Dosierfreigabe [%] typ. Häufigkeit Temperatur im Stadtverkehr [-] Euro 6a (Unterboden)! Euro 6d (motornah) 100 C 200 C 300 C Abgastemperatur SCR [ C] Die Zukunft des Dieselmotors

25 3 Gesetzgebung / Zertifizierung 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! Die Zukunft des Dieselmotors

26 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 2016 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 2016 Technologisch ist die Stickoxidthematik in der Zwischenzeit gelöst! Die Zukunft des Dieselmotors

27 Schadstoffemissionen Unerwünschte Emissionen 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? Die Zukunft des Dieselmotors

29 CO 2 / Klimawandel / Elektromobilität GHG-Reduktion: Temperaturanstieg <2 C Vereinbarung des UN Klimagipfels 2009 in Kopenhagen Die Zukunft des Dieselmotors

30 1 CO 2 / Klimawandel / Elektromobilität CO 2 -Emissionen Transport Deutschland CO 2 -Lücke CO 2 -Ziel gemäß Kopenhagen 2009 Quelle: R. Leonhard, KIT-E-Fuels Workshop 2017, Daten basierend auf Tremod , IFEU Effizienzsteigerung und reine Pkw-Elektromobilität nicht ausreichend zur Erfüllung der Kopenhagen-Ziele Die Zukunft des Dieselmotors

31 1 CO 2 / Klimawandel / Elektromobilität Energiepfade für Mobilitätsanwendungen Quelle: R. Leonhard, KIT-E-Fuels Workshop 2017 efuels aus erneuerbaren Energiequellen: eerdgas, eoxygenate, ebenzin/ediesel, Die Zukunft des Dieselmotors

32 1 CO 2 / Klimawandel / Elektromobilität 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 Die Zukunft des Dieselmotors

33 1 CO 2 / Klimawandel / Elektromobilität Viele weitere Fragen bei E-Mobilität z.b. Infrastruktur Quelle: R. Leonhard, KIT-E-Fuels Workshop 2017 Quelle: MWV; Energie Informationsdienst; Tank & Rast ID 2621 z.b. Energiespeichergewicht Diesel-Krst. 67,2kg / 80l 504kg / 600l 1.092kg/ 1.300l kg / l Batterie Li-Ionen 350Wh/kg 723kg 7.876kg kg kg Batterie zukünftig? 1.100Wh/kg 230kg 2.506kg 5.430kg kg Antriebsstrangwirkungsgrad berücksichtig mit 95% angenommen Die Zukunft des Dieselmotors

34 Die Zukunft des Dieselmotors Zusammenfassung Verkehrsbedingte Schadstoffemissionsfragen sind gelöst Bestandsdurchdringung muss noch erfolgen verkehrsbedingte Immissionsfragen gelöst Mit EURO6d und RDE dringend notwendige gesetzliche Rahmenbedingungen geschaffen Beitrag des Dieselmotors zum Schutz des Klimas möglich und erforderlich Die Zukunft des Dieselmotors

35 Die Zukunft des Dieselmotors Logistiknacht 2017 im Mercedes Nutzfahrzeugzentrum Kassel, 03. November 2017 Dr.-Ing. Olaf Toedter INSTITUT FÜR KOLBENMASCHINEN Leiter!!! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft