Bearbeitungszeit: 18.06.2012 - 08.06.2016 durch Sascha Prehn

Beschreibung:

Für die Durchführung des Projektes wurde auf Basis eines Seriendieselmotors im landwirtschaftlichen Einsatz ein monovalenter Erdgasmotor mit Funkenzündung aufgebaut. Entsprechend der Leistungsanforderung und zukünftig geltenden Abgasgesetzgebungen wurden systematische Brennverfahrensuntersuchungen vorgenommen. Die Untersuchungen zeigen, dass für diese Motorkategorie die Erfüllung der Anforderungen insbesondere des Methangrenzwertes nur durch λ=1-Brennverfahren mit Drei-Wege-Katalysator (optimiert für Methan) erreicht werden kann. Innerhalb der zweiten Projektphase wurde auf Grundlage des entwickelten Motorenkonzeptes ein Demonstratortraktor aufgebaut und hinsichtlich seiner Praxistauglichkeit bzw. Vergleichbarkeit zum Serien-Dieselfahrzeug hin untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Demonstrator bis zu 61 % der Einsatzzeit des gleichen Fahrzeuges im Dieselbetrieb erreichen kann. Die untersuchten, praxisrelevanten Arbeitsaufgaben (Grubbern, Mulchen, Zugfahrt etc.) konnten im Gasbetrieb ohne Einschränkungen durchgeführt werden. Durch weitere intensive Applikationsarbeit am Motorsteuergerät können noch Verbesserungen in Bezug auf das Ansprechverhalten beim transienten Motorbetrieb erzielt werden. Bezogen auf den Dieselbetrieb konnte schon jetzt der THG-Ausstoß des Fahrzeugkonzeptes um bis zu 15 % verringert werden (inkl. Methan). Die Einhaltung der gesetzlich reglementierten Schadstoffemissionen (Stickoxide, Kohlenmonoxid und Partikel) der EU Stufe IV konnte in nahezu dem gesamten Motorenkennfeld mit einem stöchiometrischen Brennverfahren in Verbindung mit Abgasrückführung sichergestellt werden. Das Motorenkonzept erfüllt auch die voraussichtlich in 2019 eingeführte Abgasnorm EU Stufe V.

Die Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock und die Deutz AG haben gemeinsam einen Gasmotor für Traktoren entwickelt. Was das heißt? Aus einem Serien-Dieselmotor wurde auf dem Prüfstand der Uni Rostock ein erdgasbetriebener Motor, der nach dem Otto-Prinzip läuft, entwickelt. Das ging nicht ohne Ingenieurskunst. Immerhin waren verschiedene Bauteile  auf Gasbetrieb umzurüsten. Am Ende klappte es, der Gasmotor läuft wie am Schnürchen. „Gleiche Leistung, wie  die eines Dieselmotors,  aber niedrigere Schadstoffemissionen, weniger CO2-Ausstoß, mehr Traktor". Der 30-jährige Diplom-Ingenieur für Maschinenbau von der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock, Sascha Prehn, ist stolz. Er hat maßgeblich dem Erdgasmotor für Traktoren  „das Leben mit eingehaucht“. 

Der Gasmotor ist in der Werkstatt des Thünen-Instituts für Ökologischen Landbau in Trenthorst durch das Team von Torsten Cordts, unter der Leitung von Klaus-Peter Bark (Deutz AG), in einen Traktor eingebaut worden. Am  8. Oktober wurde er dort den beteiligten Partnern des Forschungsprojektes vorgestellt.  Das sind in vorderster Front die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU), die Deutz AG aus Köln, der Traktorhersteller Same-Deutz-Fahr sowie weitere am Projekt beteiligte Partner. Sascha Prehn ist die Freude  über das gelungene Vorhaben anzusehen. „Der auf den Erdgasbetrieb umgerüstete Motor hat auf dem Prüfstand alle Anforderungen bestanden“, sagt der junge Mann.  Was das heißt? Die Rostocker Uni-Forscher  um ihren Chef, Professor Horst Harndorf vom Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren,  haben erreicht, dass der Treibhausgas-Ausstoß mit dem Gasmotor erheblich reduziert  werden konnte, die Methanemission (23fache Treibhausgaswirkung wie CO2) sich bei der Neuentwicklung nahe 0 bewegen und der Motor in der Leistung dem Dieselmotor um nichts nachsteht.

Mit ihrer jüngsten Entwicklung  setzen die Universität Rostock, die seit Jahren eng mit der Deutz AG kooperiert, neue Maßstäbe im Bereich alternativer Motorentechnik für die Landwirtschaft. Der Motor für den Traktor  läuft zu 100 Prozent mit Erdgas- und Biomethankraftstoff. Im Mittelpunkt steht hier modernste Motorentechnologie  mit interessanten Detailverbesserungen. „Ich hatte ein System vor mir, das so noch nicht gelaufen ist“, blickt Sascha Prehn zurück, der an der Rostocker Fakultät Maschinenbau studierte und hier promovieren will. Er erinnert sich an ein Blatt Papier, auf dem die Vorstellungen für einen Gasmotor skizziert waren. Beispielsweise musste der Dieselinjektor, der den Kraftstoff in den Brennraum spritzt, gegen eine Zündkerze ausgetauscht und ein Erdgasdosiersystem installiert werden. Zudem mussten verschiedene Motorkomponenten an die veränderten Bedingungen angepasst werden. Entscheidend allerdings waren die Analyse und das Beherrschen des Verbrennungsprozesses im Gasmotor. Was sich so einfach anhört, bedurfte vieler Experimente und das Verstehen komplizierter Prozesse. 

Die Rostocker Universität gehört mit dieser aktuellen Entwicklung, die maßgeblich von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert wurde, zu den ersten Hochschulen in Deutschland, die den Emissionsschutz bei alternativen Antriebskonzepten für den ladwirtschaftlichen Einsatz auf eine ganz neue Stufe heben. In der Zukunft soll der Traktor mit alternativem Erdgasantrieb am Thünen-Institut seine Praxistauglichkeit im normalen Einsatz unter Beweis stellen. Alternative Antriebs- und Treibstoffkonzepte für die Landwirtschaft beschäftigen die genannten Forschungs- und Praxispartner seit vielen Jahren. Biomethan kann nach Aufreinigung auch aus der Biogasgewinnung in der Landwirtschaft stammen. Zudem stellt der Treibstoff bei möglichen Leckagen keine Boden- und Wassergefährdung dar. Für den Betrieb in Scheunen und Ställen sind Gasmotoren aufgrund der Abgaszusammensetzung besser geeignet als Dieselmotoren. „Insofern ist Biomethan als weiterer alternativer Kraftstoff, z.B. für Hofschlepper, in der Landwirtschaft sehr interessant“, sagt Dr. Hans Marten Paulsen, der Leiter des Thünen-Instituts für Ökologischen Landbau.

Nicht erst die Rekordpreise für Benzin und Diesel machen deutlich: Ein bedeutender Teil der mobilen Zukunft, vor allem auch in der Landwirtschaft, wird neuen Antriebsformen unter Einsatz alternativer und erneuerbarer Energieträgern gehören. Davon ist Professor Horst Harndorf, Inhaber des Lehrstuhls für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren an der Universität Rostock, fest überzeugt. Doch was müssen Motorenentwickler tun, um künftigen Abgasnormen zu genügen? 

Auf dem Prüfstand der Rostocker Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik ist jetzt erstmals ein für die Landwirtschaft bestimmter Gasmotor erfolgreich in Betrieb genommen worden. Die Rostocker Universität gehört damit zu den ersten Hochschulen in Deutschland, die gemeinsam mit der Deutz AG aus Köln die Motorenentwicklung einerseits und den Emissionsschutz andererseits auf eine ganz neue Stufe heben wollen. 

„Erdgas und Flüssiggas werden gegenüber Erdöl an Bedeutung gewinnen“, ist Professor Harndorf längst klar. „Neben Wirtschaftlichkeit sind es Umweltfreundlichkeit und die bei Erdgas und regenerativ erzeugtem Biomethan längerfristige Verfügbarkeit, die Gasantriebe so attraktiv machen, sagt der Wissenschaftler. Vor diesem Hintergrund hat die Uni Rostock in Kooperation mit der Deutz AG das Forschungsprojekt „Entwicklung und Untersuchung eines Gasmotors für Landmaschinen“ auf den Weg gebracht. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) fördert das Vorhaben. 

Bei der Entwicklung von Gasmotoren spielt das nötige Know-how die entscheidende Rolle, denn die Anforderungen an einen gasbetriebenen Motor unterscheiden sich deutlich von denen eines Dieselmotors. Das wissen Dr. Christian Fink, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Rostocker Lehrstuhl und der junge Diplom-Ingenieur für Maschinenbau, Sascha Prehn, am besten. Der eine hat über fünf Jahre als Entwicklungsingenieur bei der Deutz AG gearbeitet, der andere schrieb dort seine Diplomarbeit. „Erdgas ist ein spannendes und zukunftsweisendes Thema, da kann man sich gut entfalten“, brennt der 28-jährige Sascha Prehn für das Thema. Beispielsweise sind die thermischen Belastungen der den Brennraum umgebenden Bauteile im Gasbetrieb deutlich höher als im Betrieb mit flüssigem Kraftstoff. Deshalb mussten verschiedene Motorkomponenten an die veränderten Rahmenbedingungen angepasst werden. 

„Ganz entscheidend ist die Analyse und Beherrschung des Verbrennungsprozesses im Entwicklungsmotor“, unterstreicht der junge Forscher, der sehr stolz ist, dass der gasbetriebene Motor unter seinem Mitwirken erfolgreich in Betrieb genommen werden konnte. Dr. Fink hält fest: „Es ist ein großer Erfolg, dass der Motor nach der intensiven Konzeptfindung zusammen mit dem Projektpartner nun auf dem Prüfstand der Uni Rostock läuft.“ Die Herausforderung heißt jetzt: Reduktion der Emissionswerte! Auch für den landwirtschaftlichen Bereich müssen immer strengere Emissionsvorschriften, ähnlich derer bei Pkw- und Lkw-Motoren, eingehalten werden.

„Motoren im Erdgas- und Biomethanbetrieb werden auch in der Landwirtschaft stark an Bedeutung gewinnen“, prognostiziert Prof. Harndorf. Mehr Leistung, mehr Wirkungsgrad und weniger Emissionen, so will der Motorenexperte entsprechende Motorkonzepte auf den Weg bringen. Dabei weiß er auch, dass es noch Risiken gibt, beispielsweise, wie der Kraftstoff mit hinreichender Energiedichte gespeichert werden kann und wie das Problem mit dem aufwendigen Betanken und der trotz eines größeren Tankvolumens geringeren Reichweite zu lösen ist. 

Schwierig stellen sich auch die schwankenden Eigenschaften des eingesetzten Gases dar. Im Falle des regenerativ erzeugten Biogases ist deshalb seitens des Produzenten eine aufwändige Veredelung zu Biomethan erforderlich. Ein großer Vorteil ist die Möglichkeit der Einspeisung des Biomethans in das bestehende Erdgasnetz, wodurch eine große Marktdurchdringung des regenerativ erzeugten Energieträgers erreicht werden kann. 

„In der Landwirtschaft ist die Motivation groß, Kraftstoff aus Biomasse zu gewinnen und einzusetzen“, weiß Harndorf. Für ihn eine Herausforderung zum Forschen auf dem Sektor Gasmotoren. Immerhin bietet die motorische Verbrennung von Erdgas bzw. Biomethan ein erhebliches Potenzial zur signifikanten Reduktion von Treibhausgasen. Wegen des günstigen Verhältnisses von Kohlenstoff zu Wasserstoff (1/4) bei Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas und Biomethan, kann durch den Einsatz dieses interessanten, weil zukunftsweisenden Kraftstoffes gegenüber Diesel und Benzin eine Einsparung der CO2-Emission von rund 25 Prozent erzielt werden. 

An der Fakultät haben die Rostocker Wissenschaftler indes ihre besonderen Erfahrungen mit den speziellen Anforderungen auf den Gebieten inner- und außermotorische Emissionsreduzierung sowie alternativer Kraftstoffe weiter ausgebaut. „Wir sind mit Zukunftsthemen unterwegs und möchten unsere Kernkompetenzen kontinuierlich ausweiten“, gibt Prof. Harndorf die Richtung vor. 
 

Kontakt:

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Professor Horst Harndorf
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Mail: horst.harndorf(at)uni-rostock.de

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Fon: +49 (0)381 498 1013
Mail: ulrich.vetter(at)uni-rostock.de
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