Molekulare Struktur von Kraftstoffen für Dieselmotoren Dieselkraftstoff H 3 C H 3 C H3 CH 3 Kohlenwasserstoffketten FAME = Biodiesel H 3 C H 3 C O C H C O CH 3 H2 H2 H H2 H2 H2 C O C O CH 3 Fettsäuremethylester Rapsölkraftstoff C O O C C C CH 3 HC O O C C C C CH C 3 C O O C C C H H CH 3 Widmann P 06 K Th 004 Folie 20 03 2 ER 034
Viskositätsverlauf von Rapsöl verschiedener Raffinationsstufen und Dieselkraftstoff 300 mm²/s kinematische Viskosität 250 200 50 00 50 kaltgepresst superdegummed vollraffiniert Diesel Thuneke Widmann Wilharm P 06 K Th 004 Folie 2 03 2 ER 048 0-20 -0 0 0 20 30 40 50 60 70 80 90 00 0 C 20 Temperatur
Dichte-Temperaturverhältnis verschiedener Kraftstoffe Quelle: Tschöke, H. 997 P 06 K Th 004 Folie 22 03 2 ER 3
Oberflächenspannung verschiedener Kraftstoffe Quelle: Wichmann, V. 2005 P 06 K Th 004 Folie 23 03 2 ER 3
Mittlerer Tropfendurchmesser Quelle: Wichmann, V. 2005 P 06 K Th 004 Folie 24 03 2 ER 3
Einspritzverhalten von Diesel- und Rapsölkraftstoff Quelle: Wichmann, V. 2005 P 06 K Th 004 Folie 25 03 2 ER 3
Brenngeschwindigkeit von Diesel- und Rapsölkraftstoff Quelle: Schümann, U. 2005 P 06 K Th 004 Folie 26 03 2 ER 3
Wege zur Nutzung von Kraftstoffen auf Pflanzenölbasis Pflanzenöl unterscheidet sich in seinen Kraftstoffeigenschaften wesentlich von Dieselkraftstoff! Kraftstoffanpassung Motoranpassung Umesterung Pflanzenöl Biodiesel konventioneller Dieselmotor Beimischung zu Dieselkraftstoff? pflanzenöltauglicher Dieselmotor (Spezialmotor oder umgerüsteter Serienmotor) Thuneke P 06 K Th 004 03 2 ER 043 Folie 27
Betrieb eines Dieselmotors mit Diesel/Rapsöl-Mischungen? Eigenschaften (z.b. Viskosität, Siedeverhalten) der Mischungen unterscheiden sich wesentlich von Dieselkraftstoff schlechte Gemischaufbereitung im Brennraum unvollständige Verbrennung (v.a. bei Kaltstart und Teillast) Ablagerungen, Eintrag von Kraftstoff ins Schmieröl Lagereigenschaften der Mischungen sind schlechter als die der Reinkraftstoffe Umweltvorteile der hohen biologischen Abbaubarkeit und geringen Toxizität von Rapsölkraftstoff gehen verloren widersprüchliche Praxiserfahrungen, kaum Langzeiterfahrungen negative Erfahrungen bei systematischen Untersuchungen an modernem PLD-Motor Deshalb: Beimischung sind mit hohen Risiken behaftet! Thuneke Widmann P 06 K Th 004 03 2 ER 035 Folie 28
Pflanzenöltaugliche Motoren - Übersicht Pflanzenölmotor Serien- Dieselmotor Umrüstung Einkraftstoff- System Zweikraftstoff- System Rapsölkraftstoff Rapsölkraftstoff sowie Dieselkraftstoff zum Starten, Spülen, für Schwach-/Teillast Rapsölkraftstoff sowie Dieselkraftstoff für die Standheizung P 06 K Th 004 Folie 29 04 2 ER 00
Umrüstmaßnahmen zur Anpassung eines Dieselmotors an Rapsölkraftstoff Austausch von nicht pflanzenölverträglichen Materialien (z.b. Dichtungen) Austausch der Kraftstoffleitungen gegen Leitungen mit größerem Querschnitt Austausch der Kraftstoffförderpumpe Austausch der Kraftstofffilter bzw.einbau eines zusätzlichen Kraftstofffilters Einbau einer Kraftstoffvorwärmung (z.b. Kraftstofffilter, Kraftstoffleitungen, Düsen) Vorheizen des Kühlwassers Austausch der Einspritzpumpe Austausch der Einspritzdüsen (z.b. Zapfendüsen statt Lochdüsen, beheizbare Einspritzdüsen) Austausch der Glühkerzen Modifikation des Einspritzdrucks und des Einspritzzeitpunkts Eingriff in die Motorelektronik Modifikation des Brennraums/alternative Materialien für Kolben u. Zylinderkopf Einbau einer Kraftstofferkennung bei Wechselbetankung Einbau eines zusätzlichen Kraftstofftanks bei Zwei-Tank-System Steuerungselemente für die Umschaltung Dieselkraftstoff/Rapsölkraftstoff P 06 K Th 004 03 2 ER 035 Folie 30
Ausgangssituation im 00-Traktoren-Programm Interesse am Einsatz biogener Kraftstoffe in der Landwirtschaft aus wirtschaftlichen Gründen erst seit Herbst 2000 zunehmend Keine Freigaben für Motorensysteme in Traktoren von Seiten der Industrie Projektstart zum 0. April 200 Praxiseinsatz serienmäßiger neuer rapsöltauglicher Traktoren Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. Umrüsttechniken für Seriendieselmotoren in Traktoren zum Zeitpunkt des Projektstarts noch in der Entwicklung und Erprobung keine praxistauglichen serienmäßigen Traktoren auf dem Markt Ziel: Nachweis der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit Begleitforschung: Universität Rostock Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren P 06 K Th 004 Folie 3 03 2 ER 03
Ergebnisse 00-Traktoren-Programm I Umrüster VWP Hausmann Gruber KG Igl - Landtechnik LBAG Lüchow Stangl-Landtechnik TC Bastorf P 06 K Th 004 Folie 32 03 2 ER 7 Traktorenfabrikat Deutz-Fahr John Deere Fendt Welte New Holland Fendt John Deere Case Deutz-Fahr Claas Same Lamborghini Case Case Fendt New Holland John Deere Case Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005) Anzahl umgerüsteter Traktoren 4 7 6 8 6 4 0 4 2 Anzahl Traktoren ohne bzw. mit geringen Störungen 32 0 6 0 8 0 0 0 2 0 0 0 0
Ergebnisse 00-Traktoren-Programm II 63 von 07 Traktoren arbeiteten ohne oder nur mit geringfügigen Störungen (Kosten < 000 ) bei 44 Traktoren traten kostenintensivere Störungen auf 92 Traktoren werden über das Projektende hinaus weiterhin mit Rapsöl betrieben Die Störanfälligkeit eines Traktors im Rapsölbetrieb hängt wesentlich vom Ausgangstyp des Traktors und erst sekundär vom eingesetzten Umrüstkonzept ab. Motoren der Deutz AG der Baureihen 203 und 03 funktionierten vergleichsweise störungsfrei (Fendt 4XX, Fendt 7XX, Deutz-Fahr) - Hochdruck-Pumpe-Leitung-Düse-System (hohe Einspritzdrücke) - starker Drall der Verbrennungsluft - hohes Hub-Bohrungsverhältnis - zentrale Einspritzdüse P 06 K Th 004 03 2 ER 7 Folie 33 Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005)
Ergebnisse 00-Traktoren-Programm III kraftstoffgeschmierte Verteilereinspritzpumpen (z.b. Bosch VP44) und kraftstoffgeschmierte Stanadyne-Einspritzpumpen sind beim Einsatz von Rapsölkraftstoff vergleichsweise störanfällig Betrieb der Traktoren im unteren Teillastbereich führt zu Ölkohleablagerungen im Ansaugkrümmer und auf dem Einlassventil Verkürzungen der Ölwechselintervalle (Halbierung, Drittelung) aufgrund der Anreicherung von Rapsölkraftstoff im Schmieröl sind erforderlich ungenügende Kraftstoffqualitäten nahmen Einfluss auf die Untersuchungsergebnisse (z.b. verstopfte Kraftstofffilter) kein erhöhter Verschleiß Reibpaarung Kolben / Buchse, Hohnriefen gut erhalten (Befundung an Motoren > 3000 Bh Laufleistung) kein übermäßiger Verschleiß an PLD-Einspritzsystemen CO- und NO x -Emissionen am Nulllast- bzw. Volllastpunkt lagen in der Größenordnung des DK-Betriebes vor der Umrüstung (Abgasstufe ) P 06 K Th 004 03 2 ER 7 Folie 34 Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005)
Ablagerungen Traktor 7 Fendt Farmer 309, Eintanksystem Einlass-/Auslasskanal nach 3447 Bh Traktor 87 Case CS 20, Zweitanksystem Einlass-/Auslasskanal nach 3660 Bh Ablagerungen im Einlasskanal Betrieb häufig bei Teillast P 06 K Th 004 03 2 ER 7 Folie 35 Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005) keine Ablagerungen im Einlasskanal Betrieb bei hohen Lastpunkten
Ergebnisse 00-Traktoren-Programm IV Der Einsatz von Rapsöl als Kraftstoff mit vorhandenen Motorentechnologien ist unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen möglich, jedoch zum jetzigen Zeitpunkt nicht uneingeschränkt zu empfehlen. (Universität Rostock) Einflussfaktoren auf einen störungsfreien Betrieb - Eignung des Motorsystems für eine Umrüstung - Lastprofil der Landmaschine - Qualität der Umrüstung (Erfahrung der Umrüsterfirma) - Qualität des Rapsölkraftstoffs - Sorgfalt des Betreibers der Maschine (Motorenölkontrolle, Wartung...) P 06 K Th 004 05 2 ER 002 Folie 36
Einführungstermine und Abgasgrenzwerte für Traktoren Motorenkategorie 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 200 20 202 203 204 205 206 8 kw P < 37 kw 9 kw P < 37 kw Typprüfung In-Verkehr-Bringen Stufe II CO 5,5 / HC,5 NO x 8,0 / PT 0,8 Stufe II Stufe IIIA CO 5,5 / HC + NO x 7,5 / PT 0,6 Stufe IIIA 37 kw P < 56 kw Typprüfung Stufe II CO 5,0 / HC,3 NO x 7,0 / PT 0,4 Stufe IIIA CO 5,0 / HC + NO x 4,7 / PT 0,4 Stufe IIIB CO 5,0 / HC + NO x 4,7 / PT 0,025 In-Verkehr-Bringen Stufe II Stufe IIIA Stufe IIIB 56 kw P < 75 kw Typprüfung Stufe II CO 5,0 / HC,3 NO x 7,0 / PT 0,4 Stufe IIIA CO 5,0 / HC + NO x 4,7 / PT 0,4 Stufe IIIB CO 5,0 / HC 0,9 NO x 3,3 / PT 0,025 Stufe IV (.0.203) CO 5,0 / HC 0,9 NO x 0,40 / PT 0,025 In-Verkehr-Bringen Stufe II Stufe IIIA Stufe IIIB Stufe IV (.0.204) 75 kw P < 30 kw Typprüfung Stufe II CO 5,0 / HC,0 NO x 6,0 / PT 0,3 Stufe IIIA CO 5,0 / HC + NO x 4,0 / PT 0,3 Stufe IIIB CO 5,0 / HC 0,9 NO x 3,3 / PT 0,025 Stufe IV (.0.203) CO 5,0 / HC 0,9 NO x 0,40 / PT 0,025 In-Verkehr-Bringen Stufe II Stufe IIIA Stufe IIIB Stufe IV (.0.204) 30 kw P < 560 kw Typprüfung Stufe II CO 3,5/ HC,0 NO x 6,0/PT 0,2 Stufe IIIA (.7.2005) CO 3,5 / HC + NO x 4,0 / PT 0,2 Stufe IIIB CO 5,0 / HC 0,9 NO x 2,0 / PT 0,025 Stufe IV CO 3,5 / HC 0,9 / NO x 0,40 / PT 0,025 In-Verkehr-Bringen Stufe II Stufe IIIA Stufe IIIB Stufe IV P 06 K Th 004 Folie 37 03 2 ER 8 Quelle: Diedrich, F. (2005)
Emissionen von Traktoren 75 kw P < 30 kw Last Messpunkte der Abgasprüfung nach Richtlinie 2000/25/EG 5 Lastpunkt NO x - Emission gültig ab Stufe 30.06.0 Stichversuch Stichversuch Traktor 44 EZ 0.02 Stufe 2 30.06.03 Traktor 5 EZ 09.03 6 7 2 3 NO x g/kwh CO g/kwh HC g/kwh 9,2 5,0,3 8,25 0,460 0,075 6,0 3,5,0 6,052,077 0,027 PM g/kwh 0,7 0,84 0,2 0,058 8 n min 4 n nenn n max Drehzahl Lastpunkt CO- Emission 8-Phasenzyklus identisch mit C-Zyklus nach ISO-Norm 878-4 P 06 K Th 004 Folie 38 03 2 ER 8 Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005)
Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit der Umstellung Höhe der Agrardieselvergürtung (Jahresverbrauch Dieselkraftstoff) die Preisdifferenz von Diesel zu Biodiesel oder zu Rapsölkraftstoff Kraftstoffverbrauch der Arbeitsmaschine Auslastung der Arbeitsmaschine (Betriebsstunden) Umrüstkosten Maschinenbruchversicherung (?) Kosten für die Errichtung bzw. den Umbau einer Eigenverbrauchstankstelle Wartungsaufwand (kürzere Motorölwechselintervalle usw.) P 06 K Th 004 05 2 ER 002 Folie 39
Wirtschaftlichkeitsberechnung der Umstellung LFL Agrarökonomie Ulrich Keymer http://www.lfl.bayern.de/ilb/ P 06 K Th 004 05 2 ER 002 Folie 40
Aspekte bei der Umstellung von Traktoren auf Rapsölkraftstoff Geeignetes Motorsystem / Zustand des Motorsystems Betriebszustände und Auslastung der Arbeitsmaschine Entscheidung Einkraftstoff- oder Zweikraftstoffsystem Garantien und Gewährleistungen des Umrüsters Wartungshinweise beachten Rapsölkraftstoff nach Vornorm DIN 5605 Lagerung (Tankreinigung, Materialverträglichkeit, kühl und dunkel) Mineralölsteuerrecht Nachfrage nach pflanzenölbetriebenen Traktoren für die Landwirtschaft muss aus der Landwirtschaft kommen!!! P 06 K Th 004 05 2 ER 002 Folie 4
Zusammenfassung Rapsölkraftstoff ist sowohl eine ökologische und oft auch eine ökonomische Alternative Nutzung von Rapsölkraftstoff schafft Wertschöpfung in der Landwirtschaft Bei der Rapsölkraftstoffherstellung anfallender Presskuchen ist wertvolles Futtermittel Beimischung von Rapsölkraftstoff zu Dieselkraftstoff in nicht adaptierten Serienmotoren ist mit hohem Risiko behaftet Erfolgreiche Nutzung von Rapsölkraftstoff: geeigneter Motor + hochwertige Umrüstung + Qualitäts-Rapsölkraftstoff Ziel: pflanzenöltaugliche Maschinen direkt vom Hersteller mit voller Gewährleistung P 06 K Th 004 05 2 ER 002 Folie 42
Vielen Dank! Förderung: Bayerisches Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR) Union zur Förderung von Öl- und Proteinpflanzen e.v. (UFOP) Thuneke P 06 K Th 004 Folie 43 04 2 Re 047