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Andreas Wimmer, Helmut Eichelseder, Barbara Eibinger-Miedl (v.l.) © Johannes Gellner
Andreas Wimmer, Helmut Eichelseder, Barbara Eibinger-Miedl (v.l.) © Johannes Gellner

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Motorenforschung für Klimaschutz

02.10.2017

Der Güterverkehr wird laut aktueller Zahlen auch in Zukunft weltweit stark ansteigen. Die Effizienz und die Emissionswerte von Nutzfahrzeugen, Schiffen, Zügen und Co. haben sich in den letzten Jahren zwar schon stark verbessert, es gibt aber noch Luft nach oben. Das Large Engines Competence Center (LEC) und das Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT) an der TU Graz tragen mit ihrer Forschungsarbeit wesentlich dazu bei, Konzepte zur Minderung der Schadstoff- und Treibhausgasemissionen zu erarbeiten, wie auch anlässlich der 16. Internationalen Grazer Motoren-Tagung sichtbar wird.

Übergeordnetes Ziel ist es, ein Niveau zu erreichen, mit dem sich keine relevanten Einflüsse auf die Umwelt mehr ergeben. Man spricht in diesem Sinne auch von "Zero Impact"- oder "Equal Zero"-Emissionen. Die Realisierung derartiger Konzepte ist - die gesetzlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen vorausgesetzt - in den nächsten 10 bis 15 Jahren realistisch.

Eine aktuelle OECD-Studie zeigt es ganz klar: Bis 2050 soll sich das weltweite Frachtvolumen (Kilometer) verdreifachen und damit der Kohlendioxid-Ausstoß um 160 Prozent erhöhen, so das Ergebnis des "ITF Verkehrsausblick 2017". Weitere Investitionen in die Motorenforschung sind daher unerlässlich, um die Emissionswerte im Gütertransport weiter zu verbessern. Diesem Thema widmet sich auch die 16. Tagung "Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors", zu der das Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der TU Graz (IVT) am 28. und 29. September gemeinsam mit dem Large Engine Competence Center (LEC) in den Congress Graz einlädt. Rund 260 Expertinnen und Experten tauschen sich zu Entwicklungen von Motoren und deren Auswirkungen auf Verbrauch, Emissionen und Geräusch sowie zur dafür notwendigen Messtechnik für PKW, LKW sowie Klein- und Großmotoren aus.

Trade-off zwischen Schadstoffemissionen und Verbrauch

Eine grundsätzliche Herausforderung bei der Entwicklung nachhaltiger Motorkonzepte für den Transport liegt darin, dass es einen Trade-off zwischen Schadstoffemissionen und Verbrauch gibt - wenn ein Bereich sinkt, steigt der andere. Beispiele am LEC und am IVT zeigen, dass es aber auch gelingen kann, sowohl die Schadstoffemissionen als auch den Verbrauch zu reduzieren. So konnte etwa bei der Entwicklung eines Konzeptes zur Erfüllung der sehr strengen Emissionsvorschriften für DieselLokomotiven in den USA (geforderte NOx-Reduktion ca. 80%) eine gleichzeitige Verbrauchsreduktion um 2% erreicht werden. Ein Beispiel aus dem Nutzfahrzeugbereich belegt, dass durch den Einsatz von Systemen zur Nutzung der Abgaswärme ca. 5% Reduktion der CO2-Emissionen erzielt werden können.

- Der Einsatz von Erdgas bringt generell CO2-Einsparungen von deutlich über 20%.

- "Der Schlüssel zur Umsetzung eines nachhaltigen Gütertransportes ist aber immer die Betrachtung des Gesamtsystems. Das reicht von der Erzeugung des Kraftstoffs bis zur Umsetzung im Transportmittel", so die beiden Motorenexperten Helmut Eichlseder, Leiter des IVT und Andreas Wimmer, Leiter des LEC.

Forschung als Innovationstreiber für die Wirtschaft

"Die Steiermark ist das Forschungsland Nummer eins in Österreich und wir liegen auch in Europa an der Spitze. Das Erfolgsgeheimnis ist die hervorragende Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft, wie sie etwa in unseren Kompetenzzentren gelebt wird. Auch die Zukunft der Mobilität wird wesentlich von steirischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen mitgeprägt. Beim autonomen Fahren nehmen wir bereits eine Vorreiterrolle ein und auch im Bereich der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren sind wir dank der Forschungserfolge des LEC und des IVT international sichtbar", so Wissenschafts- und Wirtschaftslandesrätin Barbara Eibinger-Miedl.

Großes Potenzial bei der Seefracht

Laut den aktuellen OECD-Daten entfällt auf den Schiffstransport der mit Abstand größte Anteil an Fracht-Transportkilometer (rund 80%), was sich auch bis 2050 nicht ändern wird. Die Seefracht ist aber einer der Bereiche, in denen die Emissionsgesetzgebung im Vergleich zur Straße noch sehr moderat ist, vor allem in internationalen Gewässern, weiß Andreas Wimmer, Leiter des Großmotorenforschungszentrums LEC, das unter anderem an Motoren für den Schiffsverkehr forscht: "Beispielsweise sind in ausgewiesenen Emissionskontrollgebieten - wie etwa der Küste der USA - zwar bereits heute nur mehr Kraftstoffe mit einem Schwefelgehalt von 0,1 Prozent erlaubt - der Schwefelgehalt ist der Haupttreiber für die Schwefeldioxid- und die Partikelemissionen, auf internationaler Ebene sieht das allerdings anders aus. Derzeit liegt der von der IMO2 definierte Grenzwert bei 3,5 Prozent, die unlängst beschlossene Senkung auf 0,5 Prozent wird ab 2020 wirksam. "Die Einigung der mehr als 170 Mitgliedstaaten stellt einen Riesenschritt in die richtige Richtung dar, es werden aber zukünftig noch wesentlich strengere Limitierungen folgen müssen." Auch im Bereich der Binnenschifffahrt werden die Limits zusehends stringenter. In der EU wird für diesen Bereich ab 2020 EU Stage V gelten. "Durch die zukünftig zu erwartenden gesetzlichen Änderungen werden alternative Antriebe immens an Bedeutung gewinnen", so Wimmer.

- Eines der aktuellen Forschungsthemen aus diesem Bereich ist ein Konzept für einen praktisch emissionsfreien Schiffsantrieb, an dem das LEC mit einem hochkarätigen Konsortium arbeiten möchte. Dabei wird mit dem durch den Einsatz erneuerbarer Energien gewonnenen Wasserstoff Methanol erzeugt und damit das Schiff betankt. Das für die Erzeugung des Methanols notwendige CO2 wird vor der Verbrennung im Motor über einen Reformer abgespalten und innerhalb des Prozesses im Kreislauf geführt, der Motor wird mit Wasserstoff betrieben.

"Zero Impact" Emissionen in der Schifffahrt "

Die Konzepte dazu werden in absehbarer Zeit verfügbar sein. Die wirksame Umsetzung ist im Marinebereich wohl aber erst bis 2050 realistisch", so Wimmer. "Dies vor allem deshalb, da es in diesem Bereich extreme wirtschaftliche Anforderungen gibt, die Emissionslimits durch die notwendige Einigung auf internationaler Ebene nur schleppend verschärft werden und die Tatsache, dass die Schiffe meist mehrere Jahrzehnte im Einsatz sind und damit die Flottenerneuerung sehr langsam vor sich geht."

- Unerlässlich ist dabei auch immer eine Gesamtbetrachtung: "Für den wirklich nachhaltigen Gütertransport muss der gesamte Lebenszyklus des Schiffes ebenso berücksichtigt werden wie die Erzeugung des Treibstoffes."

- Während rein elektrische Systeme auf Nischenanwendungen beschränkt bleiben werden, gewinnen hybride Antriebskonzepte auch im Marinebereich zunehmend an Bedeutung. Zusätzliche Maßnahmen wie etwa die Optimierung der Routen oder das sogenannte "Slow Steaming", eine Verringerung der Transportgeschwindigkeit zur Einsparung des Treibstoffverbrauchs, werden auch zukünftig eine große Rolle spielen.

Effizienz des LKW-Verkehrs wesentlich verbessert

Was den Frachtverkehr auf der Straße betrifft, hat es bezüglich Schadstoffemission eine signifikante Verringerung gegeben. "Auch in Sachen Effizienz hat sich in den letzten Jahren vieles verbessert", bestätigen IVT-Leiter Helmut Eichlseder und Franz Weinberger von MAN Truck & Bus, einer der führenden Nutzfahrzeug-Hersteller Europas unisono. Dank der geschlossenen Partikelfilter ist Feinstaub praktisch kein Thema mehr, bei den Stickoxiden erreichen wir bald die Grenze zum Messbaren dank hochwirksamer Katalysatoren. Weinberger: "Was den Treibstoffverbrauch angeht, lag dieser vor 10 Jahren bei weit über 30 Liter mit 40 Tonnen auf 100 Kilometer, heute ist man hier bei 25 bis 26 Liter. Im Schnitt liegen wir heute bei 1 Liter Kraftstoffverbrauch pro transportierter Tonne, da verbraucht jeder PKW mehr."

"Zero Impact" Emission beim LKW

Für die massive Reduktion des CO2-Ausstoßes sieht Eichlseder im Einsatz von synthetischen, auch als E-Fuels bezeichneten Kraftstoffen, ein großes Potenzial: "Der durchaus realistische Ansatz besteht darin, mittels erneuerbarer Energie zunächst über Elektrolyse Wasserstoff zu produzieren und daraus mit CO2 aus industriellen Prozessen oder aus der Luft synthetische Treibstoffe herzustellen. Diese können zudem in ihren Eigenschaften gezielt hinsichtlich emissionsarmen Motorbetrieb gestaltet werden und sind rückwärtskompatibel einsetzbar, sodass ein breiter Einsatz möglich ist. Dieser Ansatz in Richtung 'Zero Impact'-Emission ist grundsätzlich und auch für lange Strecken machbar, bedarf aber unter anderem hinsichtlich Umsetzung noch beträchtlicher Forschungsaktivitäten. Darüber hinaus besteht weder eine Infrastruktur zur Herstellung noch sind die Kosten, die derzeit auf das Dreifache von Diesel geschätzt werden, anwendungstauglich." Eine Umsetzung erscheint im Vergleich zur Hochseeschifffahrt aufgrund der kürzeren Zeiten der Flottenerneuerung und der restriktiveren Gesetzgebung im landbasierten Transport wesentlich rascher möglich zu sein.

Intelligente Steuerung und Erdgas

Weinberger von MAN verweist auf ein weiteres Potenzial: "Es gibt inzwischen intelligente Tempomaten, die durch optimiertes Fahren noch zusätzlich Treibstoff einsparen. Wir arbeiten hier nicht nur an besseren Motoren, sondern optimieren das Gesamtsystem - etwa bei der Tourenplanung oder Verkehrsführung, um einen kontinuierlichen Verkehr zu gewährleisten." Als großes Zukunftsthema sieht Weinberger alternative Antriebe wie Erdgas - "Erdgas-Antriebe stehen beim LKW kurz vor der Einführung". Die Elektromobilität macht aus Sicht von Weinberger und Eichlseder für urbane Kleintransporte Sinn, "sobald es mehr an Distanz und Gewicht braucht, werden wir aber auch in Zukunft nicht auf Verbrennungsmotoren verzichten können. Ein Liter Treibstoff liefert 10 Kilowattstunden, das schafft sonst kein Antriebssystem."

Weltweit große Unterschiede im Schienenverkehr

Der bei weitem größte Teil des europäischen Schienennetzes ist elektrifiziert, die gültige Emissionsgesetzgebung für Diesellokomotiven ist Euro 3b und Euro 5 ab 2021. Ganz anderes in Ländern mit hohem Transportaufkommen und langen Distanzen wie USA, Kanada, Russland, Kasachstan, China und Indien. "In diesen Ländern sind Diesellokomotiven die Regel. Außerdem haben diese Länder mit Ausnahme von USA und Kanada keine nennenswerten Abgasemissionsgrenzwerte", weiß Christoph Kendlbacher von der Robert Bosch AG. Weitere Veränderungen bzw. Modifizierungen werden in den USA erst nach 2025 erwartet.

Handlungsbedarf bei den Rahmenbedingungen

Für Kendlbacher steht außer Frage: "Signifikant reduzieren lassen sich die Abgasemissionen nur dann, wenn es finanzielle Anreize für das Auf- bzw. Umrüsten der Flotten gibt und die Rahmenbedingungen weltweit einheitlicher sind." Ein weiterer Faktor ist die Infrastruktur: Was die Schifffahrt angeht, fehlt es in den Häfen derzeit noch vielerorts an der erforderlichen Infrastruktur für Gasantriebe.

Zukünftige Forschungsschwerpunkte

Wimmer und Eichlseder sind sich sicher: "Der Verbrennungsmotor wird für den Gütertransport auch in den nächsten Jahrzehnten eine maßgebliche Rolle spielen. Im Vordergrund der Forschungsaktivitäten wird die deutliche Verringerung der Schadstoff- und Treibhausgasemissionen stehen. Dabei werden die zu betrachtenden Systemgrenzen wesentlich erweitert werden müssen. Gleichzeitig wird sich die Komplexität durch die Elektrifizierung und den Einsatz von Zusatzsystemen - wie etwa den Anlagen zur Abgaswärmenutzung - extrem steigern. Für die Lösung der herausfordernden Forschungsaufgaben wird ein multidisziplinärer Ansatz der Schlüssel sein, was sich letztendlich auch im Ausbildungsbereich niederschlagen wird."

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