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Traktoren, 12.08.2012

FOSSILE UND REGENERATIVE KRAFTSTOFFE

Verbrennungsmotoren von Nutzfahrzeugen wandeln die chemische Energie der Kraftstoffe in mechanische Antriebs­energie um.
Verbrennungsmotoren von Nutzfahrzeugen wandeln die chemische Energie der Kraftstoffe in mechanische Antriebs­energie um. Neben den fossilen Kraftstoffen Benzin und Diesel werden heute zunehmend Biokraftstoffe und Wasserstoff als regenerative Kraftstoffe verwendet.
 
Zum Antrieb von Verbrennungsmotoren in weinbaulichen Nutzfahrzeugen wird mechanische Energie benötigt. Diese Energie wird durch einen mitgeführten Energieträger in einem angepassten System (Energiespeicher) bereitgestellt. Es existieren verschiedene Möglichkeiten der Energiespeicherung, wobei heute fast ausschließlich der Tank mit Kraftstoff (chemisches Prinzip) gewählt wird. Kraftstoffe sind chemische Verbindungen, die bei ihrer Nutzung im Rahmen einer motorischen Verbrennung Wärmeenergie erzeugen, die anschließend in Bewegungsenergie umgewandelt wird.
 

Fossil oder erneuerbar?

Eine Einteilung der Kraftstoffe kann nach dem Ursprung ihrer Primärenergie erfolgen. Unter Primärenergien versteht man einerseits die endlichen Energien Erdöl, Erdgas und Kohle (fossile Energieträger) bzw. Kernbrennstoffe sowie andererseits die erneuerbaren Energien Sonnenenergie, Wind-, Wasserkraft und Biomasse. Aufgrund der verschiedenen Primärenergieträger als Ausgangsstoffe zur Kraftstoffherstellung heißen Kraftstoffe aus fossiler Primärenergie fossile Kraftstoffe, Kraftstoffe aus erneuerbarer Primärenergie meist regenerative Kraftstoffe und Kraftstoffe aus Biomasse Biokraftstoffe. Die überwiegende Mehrheit der Kraftstoffe, die bisher im Weinbaubetrieb eingesetzt wurden, besteht aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoffverbindungen und wird fast ausschließlich aus Erdöl erzeugt. Benzin und Diesel haben sich als herkömmliche Kraftstoffe durchgesetzt. Allerdings sind die Anforderungen an die Kraftstoffe für Weinbau-Nutzfahrzeuge vielfältig, und die Bewertung der einzelnen Anforderungen seitens des Winzers wandelt sich. Deshalb wird schon seit längerer Zeit nach Alternativen zu den fossilen Kraftstoffen Benzin und Diesel gesucht.
 

Anforderungen an Kraftstoffe

Das Spektrum der Anforderungen an heutige Kraftstoffe ist breit. Sie müssen sowohl den grundlegenden Anforderungen an Effizienz, gute Handhabung, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit als auch den neuen ­Anforderungen hinsichtlich Umwelt- und Klimaschutz sowie Versorgungssicherheit gerecht werden. Aus der Vielzahl und Unterschiedlichkeit der Anforderungen sind im Folgenden die wesentlichen angeführt:
  • Technische Anforderungen: Sie betreffen die Materialeigenschaften und Antriebsleistungen der Kraft­stoffe. Dazu zählen die hohe Energiedichte, die niedrige Aggressivität gegen­über den Materialien des Kraftstoffsystems, die Klopffestigkeit bzw. Zündwilligkeit im geforderten Bereich (siehe Infokasten), das Nichtzustandekommen von schädlichen Ablagerungen aus den Inhaltsstoffen des Kraftstoffs, die geringen Ansprüche an die Motortechnik, die Verträglichkeit mit Schmierölen und die saubere Verbrennung, insbesondere die Minimierung der Emissionen.
  • Ökonomische Anforderungen: Un­ter diesem Gesichtspunkt werden die Verfügbarkeit und Kosten der Kraftstoffe betrachtet. Davon betroffen sind die langfristig kalkulierbaren Kosten sowie die weltweite Verfügbarkeit oder zumindest das Vorhandensein in großen Mengen aus unterschiedlichen Regionen der Welt.
  • Ökologische Anforderungen: Der ökologische Aspekt beinhaltet die Auswirkungen des Kraftstoffeinsatzes auf die Umwelt und das Klima. Gefordert werden hier geringe Emissionen bei der Herstellung, niedrige Verluste bei Transport, Lagerung und Umfüllung, geringer Beitrag zur Bildung von Smog und Ozon, kein Beitrag zum Treibhauseffekt, biologisch leichte Abbaubarkeit und möglichst kleine Umweltschäden bei ungewollter Freisetzung beispielsweise im Weingartenboden.
  • Arbeitsschutz und Unfallverhütung: Da der Umgang mit Kraftstoffen stets Gefahren in sich birgt, kommt den Anforderungen an die Handhabung und Sicherheit eine besondere Bedeutung zu. Laut den gesetzlichen Vorschriften darf keine Gefahr für Menschen durch eine toxische, narkotisierende, ätzende und allergie­erregende Wirkung der Kraftstoffe bestehen; des Weiteren müssen die Punkte gefahrlose Handhabung, Lagerfähigkeit und Transportierbarkeit bei allen Umgebungsbedingungen sowie keine Einschränkungen beim Abstellen des Fahrzeuges in Räumen erfüllt werden.
Bei einem Blick auf die gesamten Anforderungen wird deutlich, dass kaum ein Kraftstoff in der Lage ist, all diese zu erfüllen. Es ist aber auch erkennbar, dass in der Vergangenheit aus guten Gründen mehr oder weniger nur Benzin und Diesel zum Betrieb eingesetzt wurden.
 

Fossile Kraftstoffe

Benzin und Diesel als konventionelle Kraftstoffe finden aufgrund ihrer jahrzehntelangen Entwicklung und der Tatsache, dass sie in der Summe ihrer Eigenschaften die Anforderungen am besten erfüllen, eine breite Verwendung. Sie bestehen aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoffverbindungen – Benzin zeichnet sich im Vergleich zu Diesel durch kürzere Verbindungen aus – und ­werden heute überwiegend aus dem Primärenergieträger Erdöl erzeugt. Bei der Gewinnung werden bis zu 15 Vol.-% Additive beigemengt, um die Klopffestigkeit bzw. Zündwilligkeit zu verbessern. Fasst man sämt­liche Kriterien zusammen, dann ist erkennbar, dass Benzin und Diesel den Standard setzen; an diesem müssen sich die regenerativen Kraftstoffe messen lassen.

Erdgas besteht im Wesentlichen aus Methan (CH4) mit hervorragenden verbrennungstechnischen Eigenschaften (ROZ = 140). Es kann in flüssiger Form bei –162 °C als Liquefied Natural Gas (LNG) oder unter Druck von ca. 250 bar als Compressed Natural Gas (CNG) im Fahrzeug gespeichert werden. Im Verbrennungsmotor werden beim Einsatz von Erdgas gegenüber Benzin rund 16 % und im Vergleich zu Diesel um 13 % weniger CO2freigesetzt.

Bei der Erdöl- und Erdgasförderung fällt das Liquefied Petroleum Gas (LPG), umgangssprachlich Autogas genannt, als Begleitgas an. Das Gemisch aus Propan und Butan weist bei der Verbrennung gegenüber Benzin deutlich geringere Emissionen auf.
 

Regenerative Kraftstoffe

Synthetisches Benzin und synthetischer Diesel können auch aus Biomasse gewonnen werden. Der Kraftstoff setzt sich aus den jeweils gewünschten und optimierten Komponenten zusammen (Designer-Kraftstoff) und trägt dann die Bezeichnung Biomass to Liquid (BTL). Bei der Herstellung von BTL wird zunächst die gesamte feste Biomasse (Holz, Stroh, Energiepflanzen) vollständig vergast. Anschließend werden aus dem Gas mittels verfahrenstechnischer Schritte (Fischer-Tropsch-Synthese, Destillations- und Crackprozesse) die Produkte Naphta (Rohbenzin) und Diesel erzeugt.

Durch die Umwandlung von in Pflanzenfrüchten enthaltenen Ölen, pflanzliche Methylester (PME) genannt, wird Biodiesel produziert. Grundsätzlich eignen sich auch die Pflanzenöle selbst wie z. B. Rapsöl für den Betrieb von Verbrennungsmotoren. In Österreich beschränkt sich die Produktion nahezu ausschließlich auf Rapsölmethylester (RME), wofür der nachwachsende Rohstoff Raps verwendet wird. Im Unterschied zum herkömmlichen Dieselkraftstoff zeichnet sich Biodiesel zwar durch eine geringere Cetanzahl, aber dafür durch eine vollständigere Kohlenwasserstoffverbrennung und eine gerin­gere Kohlenmonoxid- und Partikelemission aus. Alkohole wie Ethanol und Methanol können ebenfalls als Kraftstoffe genutzt werden. Als Ausgangsstoffe für ihre Gewinnung werden in der Regel Zuckerrüben oder Treber, aber auch Maischen aus stärkehaltigen Produkten wie Kartoffeln oder Mais eingesetzt. Mithilfe von Hefen oder Bakterien wird die Biomasse ver­goren. Ethanol besitzt etwa 65 % der Energiespeicherdichte von Benzin und gilt wegen der hohen Oktanzahl von ROZ 108 als guter Ottokraftstoff. Er kann in wasserfreier Form dem normalen Benzin bis zu einem Anteil von 22 % beigemengt werden. Die Produktion von Methanol erfolgt entweder im Wege der Dampf-Reformierung aus Erdgas oder über die Biomassevergasung (Biomethanol).

Der einzige kohlenstofffreie Kraftstoff ist Wasserstoff, weshalb ihm eine große Bedeutung hinsichtlich CO2-Verminderung zukommt. Wasserstoff kommt als Primärenergie­träger auf der Erde ausschließlich in chemisch gebundener Form, z. B. als Wasser (H2O) oder in verschiedenen Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Biomasse usw.), vor und kann nur unter Einsatz von Energie freigesetzt werden. Wird diese aus regenerativen, das heißt CO2-freien Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft bereitgestellt, so kann das Potenzial des Wasserstoffs zur Reduktion der CO2-Emissionen ausgeschöpft werden. Volumen­bezogen hat Wasserstoff einen geringen Energieinhalt (1 Nm3 Wasserstoff entspricht etwa 0,3 l ­Diesel). Um diesen zu erhöhen, wird Wasserstoff tiefkalt (ca. –250 °C) und verflüssigt als Liquefied Hydrogen (LH2) in einem isolierten Kraftstoffbehälter gespeichert.
 

Kraftstoffvergleich

Die fossilen und regenerativen Kraftstoffe weisen eine unterschiedliche stoffliche und sicherheitsspezifische Charakteristik auf. Interessant für den Winzer ist, welche Eigenschaften ein Kraftstoff betreffend Energie und Sicherheit besitzt. In der Tabelle werden die Kraftstoffeigenschaften Dichte, Energieinhalt, Selbstentzündung und Viskosität von Benzin, Diesel, Erdgas, Biodiesel, ­Ethanol und Wasserstoff vergleichend gegenübergestellt.

Zur Erklärung der Kenngrößen bei Kraftstoffen: Unter der Dichte versteht man die Masse eines bestimmten Volumens eines Kraftstoffes. Der Energieinhalt gibt an, welche Wärmemenge insgesamt freigesetzt wird, die bei der Verbrennung eines Kraftstoffes entsteht. Mit der Selbstentzündung bezeichnet man die spontane Entzündung eines Kraftstoffes. Die Viskosität stellt eine Maßzahl für die Fließfähigkeit eines Kraftstoffes dar.
 

Kraftstoffeinsatz in der Weinbaupraxis

Um aus Gründen der Logistik oder der globalen CO2-Bilanz verschiedene Kraftstoffe in einem Motor verbrennen zu können, müssen unterschiedliche, zum Teil aufwändige Umbaumaßnahmen im Weinbau-Nutzfahrzeug durchgeführt werden. Bei einem Betrieb von herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit fossilen oder re­generativen Kraftstoffen (alternatives Antriebskonzept) gilt es, die nach­stehenden Hinweise zu beachten:

• Erdgasbetrieb: In der Regel wird bei Ottomotoren das Erdgas in Kombination mit dem Benzin eingesetzt (bivalentes Antriebskonzept). Zu diesem Zweck ist ein erheblich tech­nischer Aufwand für den Einbau ­zusätzlicher Komponenten (Erdgas­behälter, Gasdruckregler, Gaseinblasventile, Steuergerät) im Fahrzeug erforderlich. Darüber hinaus muss die Anlage mit verschiedenen technischen Sicherheitsmaßnahmen ausgestattet sein, da der Erdgasbetrieb mit prinzipbedingten Gefahren verbunden ist (Beispiel: Explosionsgefahr durch Druckanstieg). Mithilfe des Zündstrahlverfahrens – Diesel fungiert bei dieser Technik als Zündquelle des homogenen Erdgas-Luft-Gemisches – kann methanreiches Erdgas (hohe Klopffestigkeit) auch in Dieselmotoren verwendet werden (Zweistoffantriebskonzept).
  • Pflanzenölbetrieb: Die Verwendung von Pflanzenölen wie beispielsweise Rapsöl ist in Nutzfahrzeugen mit Dieselmotoren grundsätzlich möglich. Allerdings muss der Motor bei ausschließlichem Pflanzenölbetrieb entsprechend adaptiert werden, da der Kraftstoff im Vergleich zu ­Diesel einerseits zündunwilliger und zähflüssiger ist und andererseits Verkokungen an Motorbauteilen (Düsen) verursacht. Ein Pflanzenölmotor verfügt über eine Kraftstoffvorwärmung, einen elektrisch beheizten Zusatzfilter und im Fall des Verfahrens der direk­ten Einspritzung über eine veränderte Einspritzanlage. Neben dem Einsatz von reinem Pflanzenöl besteht auch noch die Möglichkeit einer Beimischung von Rapsöl zu Diesel (z. B. 75 % Rapsölanteil). Zur Vermeidung der Verkokungen am Motor muss auch bei dieser Betriebsvariante eine vorhergehende Umrüstung des Motors veranlasst werden.
  • Biodieselbetrieb: Der regenera­tive Kraftstoff Biodiesel ist in der Weinbaupraxis bereits weit verbreitet, da seine Verwendung in normalen Dieselmotoren nur geringe motorbauliche Veränderungen nach sich zieht. Obwohl Biodiesel ähnliche Eigen­schaften wie herkömmlicher Diesel aufweist, darf dieser nur in von Herstellern für Biodiesel freigegebenen Motoren eingesetzt werden. Es sind folgende Verwendungshinweise zu beachten: 1. Biodiesel verhält sich aggressiv gegenüber Dichtungen, Leitungen und Einspritzpumpenteilen aus Kunststoff (diese können aufquellen und undicht werden); 2. Biodiesel ist hygroskopisch (wasseraufnehmend) und wirkt auf Lacke wie ein Lösungsmittel (er sollte bei Lack­berührung sofort entfernt werden); 3. Biodiesel zeichnet sich durch eine Wintertauglichkeit mit Temperaturen bis zu –20 °C aus; 4. Biodiesel sollte vor Witterungseinflüssen geschützt gelagert werden; 5. Biodiesel macht nach der Motorumstellung das Tauschen des Kraftstofffilters nach einigen Tankfüllungen erforderlich.
  • Alkoholbetrieb: Ottomotoren funktionieren im Mischkraftstoffbetrieb (Benzin/Ethanol – 20 % oder Benzin/Methanol – 80 %) ausgezeichnet, ohne dass nennenswerte Änderungen am Motor durchgeführt werden müssen. Hingegen sind für den Einsatz von reinem Alkohol zahl­reiche Motoranpassungen notwendig. Da z. B. bei einem ausschließlichen Motorbetrieb mit Methanol Kaltstartprobleme auftreten, ist stets eine Beimengung von 15 % Benzin erforderlich. Umgekehrt kann Methanol ohne größere Anpassungen des Motors bis zu 15 % dem Benzin bzw. Diesel beigemischt werden. Für den Betrieb von Dieselmotoren mit dem zündunwilligen Kraftstoff Alkohol (CZ < 10) müssen zur Verkürzung des Zündverzugs sowohl die Temperatur als auch der Druck des Kraftstoff-Luft-Gemisches erhöht werden. Durchgesetzt hat sich in der Praxis die Hilfszündung mit Glüh- und Zündkerzen, ergänzt mit einer vorwiegenden Motorregelung über den Lastbereich.
  • Wasserstoffbetrieb: Für den Betrieb von Ottomotoren ist Wasserstoff als Kraftstoff technisch erprobt und gilt als Kraftstoff der Zukunft. Die motorische Verbrennung von Wasserstoff ist nach einigen zuvor durchgeführten Motoranpassungen problemlos. Eine wichtige Komponente des Wasserstoffmotors bildet das spezielle Gemischbildungssystem, welches für die Steuerung von Wasserstoffzufuhr und Ladungswechsel verantwortlich ist. Im Nutzfahrzeugeinsatz besteht die Möglichkeit, Wasserstoff als Metallhydrid (gebunden an Metall-Legierungen wie TiFe) zu speichern oder verflüssigt in Tanks zu transportieren.
 

Resümee

Etwa 90 % der für den Transport in österreichischen Weinbaubetrieben benötigten Energie stammen aus dem fossilen und damit begrenzten Primärenergieträger Erdöl. Voraussichtlich wird in den nächsten Jahrzehnten die Verfügbarkeit der auf Erdöl basierenden Kraftstoffe Benzin und Diesel zurückgehen. Parallel dazu wird es zu einer immer größer werdenden Substitution des derzeit aus Erdöl gedeckten mobilen Energiebedarfs durch andere Energieträger kommen. Ein solcher Wechsel auf Kraftstoffe aus regenerativen Energien ist auch aufgrund der langfristigen Umwelt- und Klimaauswirkungen notwendig. Entscheidend bei dieser Umstellung wird sein, ob die Herausforderungen betreffend Verfügbarkeit, Herstellung und Verteilung der regenerativen Kraftstoffe bewältigt werden. Aus heutiger Sicht sind noch viele Weichenstellungen vorzunehmen, bis es zu einem großtechnischen Einsatz der aufgezeigten Alternativen kommt.

Die Prognose, ob sich die regenerativen Kraftstoffe im Weinbau durchsetzen können, ist mit einer großen Unsicherheit verbunden. Fraglich ist auch, ob die Betriebsmobilität in der Zukunft wie in den vergangenen Jahrzehnten mit lediglich zwei Kraftstoffarten auskommt.
 

Oktan-, Cetan- und Methanzahl

Mit der Oktanzahl (OZ) wird bei Ottokraftstoffen die Klopffestigkeit – darunter versteht man die Widerstandsfähigkeit gegenüber Selbstzündung – gekennzeichnet. Zu einer klopfenden Verbrennung im Motor kommt es, wenn das verdichtete, aber noch nicht brennende Gemisch ungesteuert gezündet wird. In der Folge wird der Motor mechanisch und thermisch stark belastet (schlagartiger Druckanstieg, hohe Verbrennungsgeschwindigkeit). Als Maß für die Klopffestigkeit werden die Re­search-Oktanzahl (ROZ) und die Motor-Oktanzahl (MOZ) an einem Prüfmotor ermittelt (Letztere ist niedriger, da die Prüfung bei ­höherer Drehzahl und Gemischvorwärmung erfolgt). Dazu wird die Zündwilligkeit des Ottokraftstoffes mit der eines Bezugskraftstoffes, der aus dem zündunwilligen Iso-Oktan (OZ = 100) und dem zündwilligen n-Heptan (OZ = 0) besteht, verglichen. Beispiels­weise entspricht ein zu untersuchender Kraftstoff mit der Oktanzahl 95 einem Gemisch aus 95 Vol.-% Iso-Oktan und 5 Vol.-% n-Heptan. Je höher die Oktanzahl ist, umso zündunwilliger ist der Kraftstoff.

Die Cetanzahl (CZ) beschreibt die Zündwilligkeit bei Dieselkraftstoffen, das heißt die Wahrscheinlichkeit der Selbstentzündung während der Brennraumeinspritzung. Um ein Klopfen im Motor zu vermeiden, sollen diese im Unterschied zu den Otto­kraftstoffen möglichst zündwillig sein. Zur Bestimmung der Cetanzahl wird in einem Prüfmotor der Zündverzug (Zeit zwischen Einspritz- und Verbrennungsbeginn) des Dieselkraftstoffes gegenüber einem Vergleichskraftstoff – einem Gemisch aus der zündwilligen Komponente n-Hexadecan (CZ = 100) und der zündunwilligen Komponente Methylnaphthalin (CZ = 0) – gemessen. Zum Beispiel hat ein Kraftstoff die Cetanzahl 51, wenn das Mischungsverhältnis von Hexadecan zu Methylnaphtahlin im Vergleichskraftstoff 51 Vol.-% zu 49 Vol.-% ­beträgt. Die Zündwilligkeit nimmt mit der Höhe der Cetanzahl zu.

Durch die Methanzahl (MZ) ­werden die Zündneigung und Klopffestigkeit bei Gasen ausgedrückt. Ermittelt wird die Methanzahl durch einen Vergleich des zu messenden Gases mit einem Referenzgas aus Methan (zündunwillig, MZ = 100) und Wasserstoff (zündwillig, MZ = 0).

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