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Weniger Emissionen und geringer Verbrauch

Neue Motorenkonzepte für Off-Highway vereinen Leistung mit Klimaschutz

Selbst Heavy-Duty-Motoren gehören auf den Prüfstand, um in jedem Betriebspunkt die geforderte Abgasqualität zu bieten und den Verbrauch an Kraftstoff zu reduzieren. Die SYSTEMS & COMPONENTS zeigt, welche Effizienz-Optimierungen die jüngste Motorengeneration im Off-Highway-Bereich erfahren hat. Die in Hannover ausstellenden Technologieanbieter verfügen über eine umfangreiche Systemkompetenz, die neben Einspritztechnologie für Diesel, Biodiesel oder Flüssiggas auch eine intelligente Abgasnachbehandlung umfasst.

Auch wenn der Verbrennungs- und insbesondere der Dieselmotor in der öffentlichen Diskussion von vielen als Auslaufmodell betrachtet wird: Im Off-Highway-Bereich hat er noch lange nicht ausgedient. Hier steht er für hohe Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und geringe Betriebskosten bei bewährter Langlebigkeit unter den härtesten Bedingungen. Neben branchenspezifischen Faktoren sind es vor allem der Wirkungsgrad sowie die gesetzlichen Anforderungen zur Schadstoffreduzierung, die zu den technologischen Treibern zählen. Welche Fortschritte bei der Entwicklung von Motoren erzielt wurden, um mobile Arbeitsmaschinen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu optimieren, ist eines der zentralen Themen auf der SYSTEMS & COMPONENTS.

Weniger Emissionen unter Hochleistung

Nahezu alle Zulieferer klassischer Verbrennungsmotoren positionieren sich vor Ort mit einer umfassenden Palette von Lösungen, mit denen es OEM-Kunden gelingt, die strengen Abgasregelungen nach European Off-Highway Stage V und US Off-Highway Tier 4 final einzuhalten. Viele der Neuentwicklungen folgen dabei konsequent dem Downsizing-Prinzip: Ausgereifte Komponenten für die Kraftstoffeinspritzung (Common-Rail-System), die Motor- und Luftsteuerung sowie die Abgasnachbehandlung fügen sich bei niedrigem Hubraum zu treibstoffsparenden Kraftpaketen zusammen.

Großes Augenmerk legen die Anbieter auf die Modularität ihrer Motorbaukästen. Über variabel positionierbare Einzelkomponenten ermöglichen sie unterschiedliche Einbauvarianten und eine bedarfsgerechte Systemintegration. Die Versionen unterscheiden sich beispielsweise durch Lüfteranbauten und Riementriebe über Zylinderkopfhauben und Ölwannen aus Kunststoff und Aluminium bis hin zu Abgasturboladern mit Wastegate oder Ladedruckregelung mit variabler Turbinengeometrie. Erdgasvarianten verfügen im Gegensatz zu ihren Dieselpendants über eine gekühlte Abgasrückführung. Um die Emissionsvorgaben zu erfüllen, verfügen die Motoren über eine Abgasnachbehandlung, bestehend aus Dieselpartikelfilter (DPF), selektiver katalytischer Reduktion (SCR) und Dieseloxidationskatalysator (DOC).

Mit Biomethan zur klimaneutralen Mobilität

Die unterschiedlichen Anforderungen an mobile Arbeitsmaschinen wie Muldenkipper, Mobilbagger, Traktor oder Mähdrescher bedeuten jedoch auch, dass es keine allgemeingültige Antriebslösung gibt. Technologieoffenheit ist in diesem Zusammenhang eines der wichtigsten Schlagworte auf der SYSTEMS & COMPONENTS bei der Bewertung des Motorenportfolios. Vorgestellt werden auf der B2B-Plattform in Hannover neben Dieselmotoren deshalb eine Reihe weiterer Konzepte, wie Parallelhybride, Range Extender, Plug-in-Hybride und Vollelektrik. Ein weiterer Fokus in Hannover liegt auf alternativen Kraftstoffen, die den Weg in die klimaneutrale Mobilität ebnen sollen. Vorgestellt werden unter anderem Erdgasmotoren, die speziell für Off-Road-Anwendungen in Agrar- und Baumaschinen konzipiert wurden. Unter realen Einsatzbedingungen stoßen sie rund zehn Prozent weniger Kohlendioxid aus als Dieselmotoren.

Zunehmend rückt in der Landwirtschaft dabei der Einsatz von Biomethan in den Mittelpunkt, wie das Beispiel des New Holland T6 Methane Power zeigt – der weltweit erste Serientraktor, der mit 100 Prozent Methan betrieben wird. Im Inneren arbeitet ein Sechszylinder von FPT Industrial mit 6,7 Liter Hubraum, der Erdgas in komprimierter (CNG), verflüssigter (LNG), oder erneuerbarer Form (Biomethan) verbrennt und die EU-Abgasnorm der Stufe V durch den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators erfüllt. Die ersten Einheiten des Traktors werden in den nächsten Monaten 2021 ausgeliefert, eine nennenswerte Stückzahl an Vorbestellungen wird ebenfalls noch in diesem Jahr produziert und ausgeliefert. Getankt werden kann also – einen entsprechenden Gasaufbereiter vorausgesetzt – künftig an der eigenen Biogasanlage. Vergärt die Anlage noch dazu Gülle oder Mist, fällt die CO2-Bilanz sogar negativ aus.

Synthetische Kraftstoffe als neue Option

Einen bislang noch wenig beachteten Lösungsansatz im Zero-Carbon-Szenario versprechen die synthetischen Kraftstoffe. Sie lassen sich mithilfe von regenerativem Strom herstellen. Der Hauptvorteil dieser Power-to-Liquid-basierten eFuels ist ihre gerade im Vergleich zu Batteriesystemen hohe Energiedichte. Der Hintergrund: Während sich kleine Nutzfahrzeuge in der Landwirtschaft perspektivisch vollständig elektrifizieren lassen, ist dies bei schweren mobilen Arbeitsmaschinen kaum möglich. Um hier relevante CO2-Einsparungen zu ermöglichen, bietet sich eine Teilelektrifizierung des Antriebsstrangs bei gleichzeitigem Einsatz kleinerer Motoren an, die mit synthetischen Kraftstoffen betrieben werden. Ein Beispiel hierfür ist regenerativ erzeugtes Methanol, das als Drop-in-Fuel im Off-Highway-Sektor zum Einsatz kommen könnte. Die Herausforderung der eFuels: sie benötigen regenerativen Strom für die CO2-neutrale Elektrolyse, der aktuell in zu geringem Umfang zur Verfügung steht. Dieser wichtige Aspekt auf dem Weg in eine klimaneutrale Zukunft wird in den Fachforen der "Future Lounge" von Ingenieuren und Experten auf der SYSTEMS & COMPONENTS diskutiert.

Lange hat Wasserstoff eine untergeordnete Rolle bei der Entwicklung CO2-neutraler Antriebkonzepte im Off-Highway-Sektor gespielt. Die aufwändige Umwandlung anderer Energieformen in Wasserstoff schien alles andere als der Königsweg zum Ziel. Doch seit die Europäische Union im Juli 2020 die "Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff" (ECH2A) ins Leben gerufen hat, rückt das Thema stärker in den Fokus der Branche. Und das nicht ohne Grund, denn regenerativ hergestellter Wasserstoff eignet sich als Energieträger nicht nur für die Brennstoffzelle – er lässt sich auch direkt in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen nutzen. Da Wasserstoff ein Kraftstoff ohne Kohlenstoff ist, fallen Emissionskomponenten nur in minimalen Mengen aus verbranntem Schmieröl an. Dank der niedrigen Abgastemperaturen liegen die Stickoxide bereits ohne Abgasnachbehandlung unter den Grenzwerten. Aus dem effizienten Magerbetrieb resultiert zudem ein Verbrauchsvorteil gegenüber konventionellen Verbrennungsmotoren.

Wasserstoffmotoren nehmen Fahrt auf

Doch wie sieht er aus, der ideale Wasserstoff-Antriebsstrang für einen Bagger? Antwort auf diese Frage will die SYSTEMS & COMPONENTS mit den dafür notwendigen Anpassungen der Motoren und Turbomaschinen geben. Der Motorenhersteller Deutz hat bereits einen solchen Prototypen als Alternative zur Brennstoffzellentechnologie vorgestellt: Den TCG 7.8 H2. Die Wasserstoffvariante des Sechszylinder-Reihenmotors für die Landtechnik ist auch in der Kombination mit elektrischen Antrieben in unterschiedlichen Hybridkonfigurationen einsetzbar. Das Erfolgsrezept für den CO2-freien Verbrenner sind eine effiziente Einblasung, Magerbrennverfahren, Abgasrückführung, Turboaufladung sowie ein spezieller Wasserstoffkatalysator. Beispielhaft in diesem Zusammenhang ist auch ein Vorhaben, das am Institut für Kolbenmaschinen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durchgeführt wird. Es untersucht das Potenzial künftiger Brennverfahren am Beispiel schwerer Nutzfahrzeuge. Zunächst wird der Wasserstoff dazu in das Saugrohr des Motors eingeblasen und nach einem Umbau des Motors dann direkt in den Zylinder. So können die Wissenschaftler um Institutsleiter Prof. Dr. Thomas Koch den Einfluss der Gemischbildung auf die Verbrennung untersuchen. Auf dieser Basis sollen die künftigen Technologie-Roadmaps für Nutzfahrzeugantriebe entstehen sowie die technischen Herausforderungen bei der Implementierung der Wasserstoffmotoren benannt werden.

Der Motorenmix der Zukunft

Die Leistungsfähigkeit moderner Off-Highway-Fahrzeuge basiert auf dem zuverlässigen und punktgenauen Einsatz ihrer Motoren. Der Dieselmotor bleibt im Technologie-Mix auf absehbare Zeit erste Wahl, doch er hat Konkurrenz bekommen. Ob Gas, Hybrid oder Elektro: Mit Blick auf das Leitthema "Green Efficiency – inspired by solutions" der SYSTEMS & COMPONENTS, helfen die in Hannover gezeigten Lösungen dabei, die Marktbedürfnisse und Emissionsvorgaben miteinander zu vereinen.