Treibstoff aus erneuerbarer Energie für Dieselmotor
DIMETHYLETHER Nutzfahrzeuge sollen in Zukunft weniger CO2 ausstossen und zugleich strengere Abgasgrenzwerte erfüllen. Der leicht flüchtige Dimethylether lässt sich günstig aus erneuerbarer Energie herstellen und verbrennt sehr sauber. Die Empa erforscht dieses neue Antriebskonzept mit einem speziellen Versuchsmotor.
Immer mehr Nutzfahrzeug-Hersteller und -Betreiber ziehen alternative Antriebe in Betracht, um die Umweltverträglichkeit ihrer Flotte zu verbessern. Für Nutzfahrzeuge im Langstreckenbetrieb eignen sich Elektroantriebe jedoch kaum: Die Batterien wären zu schwer, die Ladezeiten zu lang und die erforderlichen Ladeleistungen zu hoch für einen konkurrenzfähigen Einsatz. Wasserstoff könnte dieses Problem lösen: Ab September 2020 rollen in der Schweiz die ersten Brennstoffzellen-Lastwagen von Hyundai im kommerziellen Versuchsbetrieb. Auch synthetisches Erdgas aus überschüssigem Ökostrom wird erforscht: Am Mobilitätsdemonstrator move der Empa werden ab 2021 die ersten Erdgas-Lastwagen damit betankt. Doch es gibt noch eine weitere Alternative, der sich für Langstreckentransporte eignen würde und eine genauere Betrachtung verdient: Dimethylether.
Die Chemikalie Dimethylether (DME) wird im Massstab von mehreren zehntausend Tonnen jährlich hergestellt. Der Stoff steckt als Treibgas in Spraydosen und ist Bestandteil von Kältemitteln in Kühlanlagen. Daneben ist DME als Zwischenprodukt in der chemischen Industrie weit verbreitet. Sein Vorteil: Es lässt sich kostengünstig und fast verlustfrei aus Methanol herstellen, dies wiederum ist mit Strom aus Solar- und Windenergie günstig darstellbar. DME bietet also die Chance, Lastwagen CO2-neutral fahren zu lassen.
Ein weiterer Vorteil: DME hat ähnliche Eigenschaften wie Flüssiggas. Es kann – anders als Wasserstoff – in günstigen Tanks unter geringem Druck in flüssiger Form befördert und aufbewahrt werden; auch die Technik für Tankanlagen ist kostengünstig, weltweit bekannt und bereits jahrzehntelang im Einsatz. Weil im Dimethylether Sauerstoff chemisch gebunden ist, verbrennt der Stoff noch dazu besonders sauber und mit geringer Russbildung.
Volvo Trucks führt seit 2013 in Schweden und in den USA Praxisversuche mit Experimental-Lastwagen durch, die mit DME betrieben werden. In Deutschland läuft seit 2016 ein Forschungsprojekt, koordiniert vom Ford Research and Innovation Center Aachen. Der Motor wurde bereits in einen Ford Mondeo eingebaut und erprobt.
Nun wird die Empa, gemeinsam mit der FPT Motorenforschung AG Arbon, dem Politechnico di Milano, dem Schmierstoffhersteller Motorex und weiteren Partnern auf den bisher gewonnenen Erkenntnissen aufbauen. In einem Prüfstand der Empa-Abteilung Fahrzeugantriebssysteme ist seit Anfang Juli 2020 der Versuchsmotor in Betrieb, der fundierte Daten zu Brennverfahren, Effizienz und Umweltfreundlichkeit von DME im Nutzfahrzeugsektor liefern soll.
«Wir kennen diesen Motor schon sehr gut», sagt Projektleiter Patrik Soltic. «Der Motorblock stammt von einem Cursor 11-Nutzfahrzeugmotor des Herstellers FPT Industrial und dient uns bereits seit fünf Jahren für diverse Forschungsprojekte. In den vergangenen Monaten haben wir ihn zusammen mit unserem Partner FPT auf DME umgerüstet.» Das war nicht ganz einfach: Das leichtflüchtige DME besitzt im Gegensatz zu Dieseltreibstoff praktisch keine Schmiereigenschaften, was vor allem die Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems rasch zerstört hätte.
Die Forscher wollen ihren Versuchsmotor mit reinem DME betreiben, ohne Zusatz von schmierenden Additiven, wie es bei früheren Projekten üblich war. Gemeinsam mit einem grossen europäischen Zulieferer wurde also eine neue, ölgeschmierte Common-Rail-Pumpe entwickelt. Zudem wurden die Ventile und Ventilsitzringe auf DME-taugliches Material umgerüstet. Auch ein elektrisch betriebener Kompressor für eine präzise Abgasrückführung kommt zum Einsatz. Schliesslich sind auch die Brennräume und das Verdichtungsverhältnis des ehemaligen Dieselmotors angepasst worden. Die neue Form der Brennräume wurde mit Hilfe von mathematischen Simulationen am Politechnico di Milano errechnet. Mitfinanziert wird das Forschungsprojekt vom Bundesamt für Energie (BFE).
Dimethylether (DME), der Öko-Treibstoff für Selbstzündermotoren, lässt sich aus Wasserstoff und CO2 herstellen. Falls der eingesetzte Wasserstoff mit erneuerbarer Energie erzeugt und das CO2 aus der Atmosphäre entzogen wird, liessen sich Lastwagen praktisch ohne Emissionen von Treibhausgasen bewegen.
«Derzeit befinden wir uns noch in der prä-kompetitiven Phase der Forschungsarbeit», erläutert Soltic. Die Ergebnisse des Projekts sind teilweise öffentlich und werden unter den Wettbewerbern im Fahrzeugbau gemeinsam diskutiert. Plattform hierfür ist die 2001 gegründete «International DME Association» mit derzeit 50 Mitgliedern aus Industrie und Forschung. «Doch irgendwann wird jeder seine Ergebnisse für sich behalten wollen», weiss der Empa-Forscher. «Dann ist es wichtig, dass wir die Technik beherrschen, um als Forschungspartner für die Industrie wertvollen Input liefern zu können.»
