Pilotprojekt 25.11.2020, 07:00 Uhr

Die Lösung für den Güterverkehr: chemischer Treibstoff für Lkw

Lkw müssen umweltfreundlicher werden und weniger CO2 ausstoßen. Das steht fest. Die Empa setzt dafür auf chemische Prozesse – und prüft einen alternativen Treibstoff. Ein spezieller Motor befindet sich bereits im Testbetrieb.

Lkw auf Autobahn

Auch die Emissionen der Lkw müssen sinken, damit die Klimaziele erreicht werden.

Foto: panthermedia.net/monticello

Strengere Abgasgrenzwerte und ein möglichst geringer CO2-Ausstoß – die Anforderungen an Logistikunternehmen steigen. Mittelfristig müssen sie umdenken und von herkömmlichen Dieselmotoren auf neue Technologien umsteigen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Doch wie könnten die aussehen? Zumindest für Transporte auf Langstrecken wird die Elektromobilität vermutlich so schnell noch keine Alternative sein. Lkw sind mit ihrer Zuladung schlicht zu schwer, als dass eine angemessene Batterie-Reichweite möglich wäre.

Verschiedene Alternativen sind daher in der Entwicklung. Seit wenigen Wochen rollen in der Schweiz in einem kommerziellen Versuchsbetrieb Lastwagen über die Straßen, die ihre Energie über Wasserstoff-Brennstoffzellen beziehen. Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) wird zudem im nächsten Jahr die ersten Erdgas-Lkw mit synthetischem Gas betanken. Jetzt hat sie ein weiteres Projekt vorgestellt, das ebenfalls für lange Touren geeignet wäre: Dimethylether als Treibstoff.

Schweizer Lkw-Verkehr wird wasserstoffmobil

Gut erprobte Chemikalie

Dimethylether (DME) gilt als Öko-Treibstoff für Selbstzündermotoren. Hergestellt wird er aus Wasserstoff und CO2. Extrem umweltfreundlich ist er also dann, wenn erneuerbare Energien dafür verwendet werden, den Wasserstoff zu produzieren. Das CO2 sollte zudem der Atmosphäre entzogen werden. Erst dann wäre diese Antriebsform praktisch emissionsfrei. Dabei hat DME grundsätzlich den Vorteil, dass er verhältnismäßig sauber ist und mit geringer Rußbildung verbrennt, weil der Sauerstoff in ihm chemisch gebunden ist. Die Technik der Abgasrückführung (AGR) läuft ebenfalls umweltfreundlicher ab als bei einem fossilen Diesel. Dort löst sie nämlich ansteigende Partikelemissionen aus, was bei DME nicht der Fall ist.

Dimethylether ist keine neue Chemikalie. Sie steckt unter anderem als Treibgas in Spraydosen und ist Bestandteil von Kältemitteln in Kühlanlagen. Der Stoff hat den großen Vorteil, dass er sich günstig aus Methanol herstellen lässt. Außerdem kann er ähnlich wie Flüssiggas gelagert werden. Die benötigen Tanks kosten ebenfalls nicht viel, weil kein hoher Druck erzeugt werden muss – anders als bei Wasserstoff. Bevor Lkw damit klimaneutral über die Straßen rollen können, gilt es aber noch, einige Hürden zu nehmen.

Effizientere Herstellung

Einen wichtigen Schritt haben die Empa-Forscher schon bei der Herstellung des Dimethylethers gemacht. Mit der sogenannten sorptionsunterstützten Katalyse lässt sich der Stoff besonders effizient gewinnen. Dafür müssen die Gase Wasserstoff und CO2 mit aktiven Kupferpartikeln in Kontakt kommen. Daraufhin verbinden sie sich zu Methanol oder zu Dimethylether, mit Wasser als Nebenprodukt.

Die Wissenschaftler haben für eine deutlich effizientere DME-Produktion gesorgt, indem sie ein Wasser absorbierendes Material verwendet haben. Das hat wiederum das chemische Gleichgewicht verändert und den DME-Anteil erhöht. Noch besser klappt die Produktion, wenn sie bei einer bestimmten Temperatur abläuft. Diese Laborergebnisse sollen nun in die Praxis übertragen werden.

Neue Einspritzpumpe

Die nächste Hürde ist eine mechanische. Denn anders als Diesel hat DME so gut wie keine Schmiereigenschaften, was ein herkömmlicher Motor nicht verträgt. In früheren Projekten mit diesem Treibstoff wurden daher schmierende Additive eingesetzt. Auf die wollten die Forschenden dieses Mal verzichten.

Als Partner haben sie daher einen großen europäischen Zulieferer an Bord geholt und mit ihm gemeinsam eine neue, ölgeschmierte Hochdruckpumpe für das Common-Rail-Einspritzsystem entwickelt. Auch die Ventile und Ventilsitzringe wurden so umgerüstet, dass sie DME vertragen. Für die Abgasrückführung kommt ein elektrisch betriebener Kompressor zum Einsatz. Zu guter Letzt haben die Wissenschaftler die Brennräume und das Verdichtungsverhältnis des ehemaligen Dieselmotors angepasst – die notwendigen Parameter hat das Polytechnikum Mailand über Simulationen berechnet.

Testphase läuft

„Nun wollen wir die Maschine mit dem neuen Treibstoff kennenlernen“, sagt Projektleiter Patrik Soltic. Anders gesagt: Der neue Motor muss sich auf dem Prüfstand beweisen. Im Grunde simulieren die Wissenschaftler dafür einen Autobahnbetrieb. Der Motor muss eine Leistung von 100 Kilowatt (kW) liefern. „Dann modifizieren wir unter anderem den Zeitpunkt und den Druck der Einspritzung, schauen uns die Abgaswerte und den Treibstoffverbrauch an“, sagt Soltic.

Motor

Die Wissenschaftler tüfteln viel an dem Motor, um das beste Ergebnis herauszuholen.

Foto: Empa

Währenddessen entnehmen die Forscher regelmäßig Proben des Motoröls und untersuchen es auf chemische Veränderungen. Der Projektpartner Motorex soll aus diesen Erkenntnissen ein neues Motoröl entwickeln, das speziell auf die Anforderungen eines DME-Motors zugeschnitten ist.

Das Forschungsprojekt der Empa ist nicht der erste Versuch, Dimethylether als Treibstoff auf die Straßen zu bringen. In Deutschland läuft aktuell ein Forschungsprojekt vom Ford Research and Innovation Center Aachen.

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  • Nicole Lücke

    Die Autorin ist freiberufliche Redakteurin und auf Themen in den Bereichen Technik und Medizin spezialisiert

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