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Moderne Technik

Diesel, Rapsöl, Strom: Der Traktor fährt mit allem

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Dr. Ing. Peter Emberger, Dr. Klaus Thuneke, Dr. Edgar Remmele, TFZ Straubing
am Montag, 18.07.2022 - 11:48

Welcher Kraftstoff macht das Rennen um den zukunftsfähigsten Antrieb großer Landmaschinen? Ein Forschungsprojekt des TFZ.

 Die Anforderungen an die Kraftstoffe sind hoch: Sie sollen klimafreundlich, bezahlbar und auch in Krisenzeiten verfügbar sein. Die Nutzungsdauer von Traktoren beträgt häufig zehn Jahre und länger, sodass Traktoren, die heute verkauft werden, auch noch im Jahr 2030 in Betrieb sein werden.

Eine spätere Umstellung eines für Dieselkraftstoff optimierten Traktors auf einen anderen Kraftstoff ist zwar möglich, kann aber teuer und technisch aufwendig sein. Schwierigkeiten können beispielsweise die Abstimmung des Abgasnachbehandlungssystems sowie die Leistungsanpassung infolge unterschiedlicher Energiegehalte bereiten.

Genau hier setzt ein kürzlich abgeschlossenes Forschungsprojekt an, an dem der Landmaschinenhersteller John Deere, die Technische Universität Kaiserslautern sowie das Technologie- und Förderzentrum (TFZ) beteiligt waren.

Auf Basis eines Serien-Dieseltraktors entwickelten die Forscher einen Multifuel-Traktor der Abgasstufe V, der mit Rapsölkraftstoff, Biodiesel und Diesel sowie mit Mischungen dieser Kraftstoffe gleichermaßen betrieben werden kann. Dazu arbeitete das Forscherteam an der Erkennung des Kraftstoffs bzw. der Kraftstoffmischungen mittels Sensoren. Je nach getanktem Kraftstoff passt dann die Motorsteuerung automatisch den Motorbetrieb optimal an.

Dieselkraftstoff (DIN EN 590), Biodiesel (DIN EN 14214) und Rapsölkraftstoff (DIN 51605) weisen unterschiedliche Eigenschaften auf. So hat Rapsölkraftstoff bei Raumtemperatur eine mehr als zehn Mal so hohe Viskosität wie Diesel oder Biodiesel (siehe Tabelle), d. h. er ist zähflüssiger. Für einen zuverlässigen Betrieb des Motors müssen folglich Anpassungen vorgenommen werden.

Aber auch Dichte und Heizwert unterscheiden sich. Den höchsten Heizwert in Bezug auf das Volumen weist Diesel auf, gefolgt von Rapsölkraftstoff (ca. 4 % geringer) und Biodiesel (ca. 8 % geringer). Die Verwendung von Biodiesel und Rapsölkraftstoff führt deshalb bei unveränderter Parametrierung der Motorsteuergerätesoftware häufig zu einer geringeren Leistung des Motors.

Optimierung des Motors

Am Motorenprüfstand der Technischen Universität Kaiserslautern wurden für alle drei Kraftstoffe sowie für Mischungen in 25-%-Abstufungen spezielle Motorapplikationen erstellt. Ziel war es, dass der Motor unabhängig vom Kraftstoff in etwa die gleiche Leistung wie im Dieselbetrieb erreicht und das Emissionsverhalten den Anforderungen der aktuellen Abgasstufe V entspricht. Diese kraftstoffspezifischen Applikationen wurden in die Motorsteuerung des Traktors übertragen.

Die Wissenschaftler des TFZ untersuchten am Prüfstand in Straubing das Leistungs- und Emissionsverhalten des Traktors. Die Ergebnisse hierzu sind in der nebenstehenden Grafik zu sehen. Wie sich zeigte, liegen die mittleren Stickoxid(NOX)- und Partikelmasseemissionen für alle getesteten Kraftstoffe unter den Grenzwerten der Abgasstufe V von 0,4 g/kWh für NOX und 0,015 g/kWh für Partikelmasse. Die Leistung bei Nenndrehzahl beträgt im Mittel 82 kW und schwankt um ±5 kW.

Kraftstofferkennung

Für Biodiesel und zwei Kraftstoffmischungen sind etwas größere Abweichungen festzustellen, die sich aber durch Optimierungsmaßnahmen beseitigen lassen. Die Ergebnisse belegen, dass eine Leistungsanpassung für verschiedene Kraftstoffe unter Einhaltung der Grenzwerte für Schadstoffemissionen möglich ist.

Werden Rapsöl und Biodiesel bei gleicher Verbrennungsluftzufuhr im Motor verbrannt, so ist im Abgas ein höherer Restsauerstoffgehalt festzustellen als mit Dieselkraftstoff. Bei bekannten Einspritzmengen kann so über den gemessenen Sauerstoffgehalt im Abgas auf den Kraftstoff geschlossen werden.

Die grundsätzliche Eignung dieses von John Deere entwickelten Konzepts konnte am Motorenprüfstand der TU Kaiserslautern nachgewiesen und im Praxisbetrieb vom TFZ validiert werden. Weitere Untersuchungen sind jedoch nötig, um auch Kraftstoffmischungen eindeutig zu detektieren. Hierzu können zusätzliche Sensoren dienen, die das TFZ untersucht hat. Vor allem Multiparametersensoren sind für die Identifizierung der Kraftstoffe und Kraftstoffmischungen geeignet. Solche Sensoren messen zum Beispiel gleichzeitig die Dichte und Viskosität der Kraftstoffe, wodurch sich auf das Mischungsverhältnis schließen lässt.

Fazit aus dem Praxistest

Ist der Kraftstoff bekannt, kann am Motorsteuergerät auf die dafür entwickelte optimale Parametrierung zurückgegriffen werden. Im Rahmen eines Feldtests wurde ein John Deere 6135R mit Diesel, Biodiesel, Rapsölkraftstoff und Mischungen daraus am Staatsgut Grub betrieben. Die Vorgabe der vorgesehenen Motorsteuerungsparameter erfolgte hierbei manuell, da eine automatische Umschaltung noch nicht realisiert werden konnte. Motorölanalysen und ein Motorsystemcheck zum Ende des Feldtests zeigten keine Auffälligkeiten, sodass von einer ordnungsgemäßen Funktion des Motors ausgegangen werden kann.

Das Multifuel-Konzept bietet Landwirten größtmögliche Flexibilität beim Übergang von fossilen hin zu erneuerbaren Kraftstoffen. Die Projektergebnisse zeigen, dass ein Multifuel-Traktor technisch realisierbar ist – ohne Abstriche beim Leistungs- und Abgasverhalten. Die Grundlagen für eine Serienentwicklung wurden erarbeitet, jedoch sind noch weitere Optimierungen auf dem Weg zur Serienreife erforderlich.

Außerdem wäre es sinnvoll, auch paraffinische Kraftstoffe (z. B. hydrierte Pflanzenöle oder E-Fuels) mit in das Multifuel-Konzept aufzunehmen, um eine noch größere Flexibilität zu erreichen. Ob Multifuel-Traktoren künftig am Markt angeboten werden, hängt vor allem von der Nachfrageentwicklung nach erneuerbaren Flüssigkraftstoffen für Traktoren ab. Damit Landwirte und Landmaschinenindustrie in solch neue Technologien investieren, müssen zwingend verlässliche Rahmenbedingungen geschaffen werden.

Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. finanziert. Weitere Informationen stehen unter www.tfz.bayern.de/must5 zur Verfügung.

Erneuerbare Kraftstoffe

Für leistungsstarke Landmaschinen sind reine Elektroantriebe in den nächsten Jahren voraussichtlich noch nicht verfügbar. Hier wird vor allem auf Verbrennungsmotoren mit flüssigen Kraftstoffen gesetzt. Ob und wenn ja wann strombasierte Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels, für die Landwirtschaft zur Verfügung stehen, lässt sich heute noch nicht beantworten.

Deshalb sind kurzfristig Alternativen gefragt: Rapsölkraftstoff, Biodiesel und hydrierte Pflanzenöle sind hochenergiedichte Kraftstoffe, die technisch ausgereift und verfügbar sind. Sie finden aber bisher kaum als Reinkraftstoffe Verwendung. Die Gründe dafür sind vielfältig. So ist das Angebot geeigneter Serienmaschinen gering, die Wirtschaftlichkeit oft nicht gegeben und die Unsicherheiten in Bezug auf die weitere Entwicklung, z. B. bei der Energiesteuerrückvergütung, sind groß.

Deshalb ist die Politik gefordert, um mit stabilen Rahmenbedingungen den Landwirten und Landmaschinenherstellern Sicherheit zu geben, damit sie in diese Technologien investieren.

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