schadstoffreduktion bei bestehenden linienbussen – technische möglichkeiten dipl.-ing. ralph...
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Schadstoffreduktion bei bestehenden Linienbussen – Technische Möglichkeiten
Dipl.-Ing. Ralph PützVerband Deutscher Verkehrsunternehmen VDV
Tagung „Saubere Busse – ein wichtiger Beitrag für bessere Luft in unseren Städten“, Düsseldorf, 19. März 2009
„Ganzheitlicher“ Umweltschutz als
übergeordnete Zielsetzung
GeräuschemissionenGeräuschemissionen EU Lärmreduzierung (2002/49/EG) Lärmkataster „Blauer Umweltengel“: 77 dB(A)
Lokale EmissionenLokale Emissionen EU-Abgasemissionen für schwere Nfz
(88/77/EG i.d.F. 2005/55/EG) EU-Luftqualitätsrichtlinien (Immissionen)
(96/62/EG, 1999/30/EWG, 2000/69/EG) Kennzeichnungs-VO/ „Umweltzonen“
EnergieverbrauchEnergieverbrauch „Grünbücher“, “Weißbücher“ Ressourcenschonung (Effizienz) Bremsenergie-Rekuperation
(FP7-Projekt „Hybrid“?) Regenerative Energien
(z.B. HYFLEET:CUTE, 2001/77/EG)
Globale EmissionenGlobale Emissionen „Kyoto-Protokoll“ EU Biokraftstoffe (2003/30/EG) CO2-Emissionshandel (2003/87/EG;
ÖPNV ausgenommen) EU Hydrogen and FC Technology
Platform
3
Partikelmasse-Emissionen in realen Fahrzyklen(in g/100 km/Fahrgast)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
EURO-V-Pkw (Grenzwert; "Drittel-Mix")
EURO-II-Diesel-Bus ohne DPF (Stadtverkehr)
Diesel-Bus mit DPF (Stadtverkehr)
Quellen: TU Graz, 2004 und Pütz, R.
Mittlerer Besetzungsgrad: 20,8% über 24 h
Mittlere Besetzung: 1,2 Fahrgäste/Fahrt
Mittlerer Besetzungsgrad:20,8% über 24 h
4
„Problemfeld 2010“: NO2–Reduzierung NOx-Reduzierung!
Quelle: BMU/IVU, 2005
Stuttgart
Berlin
Düsseldf.
München
Ferntransport
Kfz-Verkehr
Industrie
Gebäudeheizung
Übriger Verkehr
Sonstige
Frankfurt/M.
Beitrag des Kfz-Verkehrs dominiert!
5
NOx- /NO2-Emissionen im realen Fahrzyklus
Quelle: VVT Automotive, 2004
OC: Oxikat
TW: 3-Wege-Kat
SM: Lambda=1
LB: Magergas
LM: Mager-Mix
Vm = 22,5 km/h
6
Technische Maßnahmen (Dieseltechnik) und deren Bewertung
Interne Maßnahmen NOx PM HC CO CO2 Kosten optimiertes Brennverfahren Abgasrückführung Ladungskühlung (Frischluft, AGR) Verbesserung Einspritzsystem
()
Wassereinbringung () Ladungswechsel
Externe Maßnahmen Dieselpartikelfilter (DPF) NOx-Speicherkatalysator SCR-System (flüssig, fest)
Globale Maßnahmen Motorsteuerung
Folie 7
Option 1:NOx-Reduzierung durch Abgasrückführung (AGR)
„Long-Route AGR“ nach Partikelfilter (DPF)
Saugrohr Auspuff
AGR
„Short-Route AGR“ vor Abgasturbine und Partikelfilter (DPF)
AGR
AGR-Wirkmechanismus: Reduzierung des „Reaktionspartners O2“
Temperaturabsenkung
Folie 8
1. Ammoniak (NH3) Bildung durch Hydrolyse der Reagens (Harnstoff) bei Temp. > 200°C
(NH2)2CO + H2O => 2 NH3 + CO2
EIN
Reagenszugabe (32,5%ige wässrige Harnstofflösung = AdBlue)
AUS
SCR-KATALYSATOR1 2
2. NOX- Reduktion durch selektive katalytische Reduktion
4 NH3 + 4 NO + O2 => 4 N2 + 6 H2O
2 NH3 + NO + NO2 => 2 N2 + 3 H2O
8 NH3 + 6 NO2 => 7 N2 + 12 H20
NH3 Oxi-Kat
3
3. Oxidation NH3-Schlupf
4 NH3 + 3 O2 => 2 N2 + 6H2O
Option 2: NOx-Reduzierung durch SCR mit AdBlue (Selektive Catalytic Reduction)
Quelle: TÜV Nord, 2005
9
Beispiele für unterschiedliche ÖPNV-Fahrzyklen und damit unterschiedliches NOx-Reduktionspotenzial
Überlandverkehr
Zyklenlänge: 10,3 km
v-mittel: 41,2 km/h
Leichter Stadtverkehr
Zyklenlänge: 10,8 km
v-mittel: 22,5 km/h
Fahrtzeit in Sekunden
Geschwindigkeit in km/h
Reale Stickoxid (NOx)-Emissionen in Abhängigkeit der Zyklusgeschwindigkeit (Solobus; Hersteller 1)
10
2
4
6
8
10
12
14
16
18
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
41,0
43,0
EURO III
EURO IV (SCR)
Quellen: VTT, 2007 und TNO, 2008
Zuladung: 1.500 kg
(20 Fahrgäste a 75 kg)
Sti
ckoxid
(N
Ox)
in g
/km
Zyklusgeschwindigkeit in
km/h
7,3 l / 199 kW
7,2 l / 213 kW
Reale Stickoxid (NOx)-Emissionen in Abhängigkeit der Zyklusgeschwindigkeit (Solobus; Hersteller 2)
11
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1215
,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
41,0
43,0
EURO III
EURO IV (AGR)
Quellen: VTT, 2007 und TNO, 2008
Zuladung: 1.500 kg
(20 Fahrgäste a 75 kg)
Sti
ckoxid
(N
Ox)
in g
/km
Zyklusgeschwindigkeit in
km/h
9,0 l / 169 kW
8,9 l / 169 kW
Reale Stickoxid (NOx)-Emissionen in Abhängigkeitder Zyklusgeschwindigkeit (EURO-IV-Solobusse)
12
0
2
4
6
8
10
12
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
41,0
43,0
EURO IV (Hersteller 1, SCR)
EURO IV (Hersteller 2, AGR)
EURO IV (Hersteller 3, SCR)
Quellen: VTT, 2007 und TNO, 2008
Zuladung: 1.500 kg
(20 Fahrgäste a 75 kg)
Sti
ckoxid
(N
Ox)
in g
/km
Zyklusgeschwindigkeit in
km/h
8,9 l / 169 kW
7,2 l / 213 kW
12,0 l / 220 kW
Reale Partikelmasse-Emissionen (PM) in t/aim Stadtlinienverkehr (100 Solobusse)
13
Annahmen:Stadtverkehr; 19 km/h60.000 km/Bus/a
5 % 5 %>1 %
100 %
Quelle: Pütz, R., 2009
Reale Stickoxid-Emissionen (NOx) in t/aim Stadtlinienverkehr (100 Solobusse)
14
100 % 100%
76 % 75 %
Quelle: Pütz, R., 2009
Annahmen:Stadtverkehr; 19 km/h60.000 km/Bus/a
Option 3: Externe, vorgemischte Wassereinbringung (Emulsionskraftstoff)
15
Stickoxid-Konzentration in Abhängigkeit der Motorlast für verschiedene Wasseranteile
16
Externe, vorgemischte Wassereinbringung
Dieselruß-Konzentration in Abhängigkeit der Motorlast für verschiedene Wasseranteile
17
Externe, vorgemischte Wassereinbringung
Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit der Motorlast für verschiedene Wasseranteile
18
Externe, vorgemischte Wassereinbringung
Option 4:Mikro-Emulsionskraftstoff (Messung bei 2100/min)
19
Option 5: Betriebspunktoptimierte interne Wassereinbringung (Zukunft)
20
Fazit:
Die Anwendung von AGR (Option 1) und SCR (Option 2) hat bei EURO-IV-Neufahrzeugen nicht für alle ÖPNV-Anwendungsfälle (d.h. mittlere Zyklusgeschwindigkeiten) zu realen NOx-Reduzierungen gegenüber EURO-III-Fahrzeugen geführt. D.h. die Emissionsergebnisse aus der Motortypprüfung (ESC, ETC) sagen nichts über das reale Emissionsverhalten im ÖPNV-Betrieb aus!
Schlussfolgerung für die Nachrüstung: Aus der Motortypprüfung für AGR und SCR erwartete Stickoxidreduzierungen müssen für reale ÖPNV-Fahrzyklen belastbar nachgewiesen werden – auch unter Berücksichtigung der Alterung.
Mikro-Emulsionskraftstoffe (Option 4) und betriebspunktangepasste interne Wassereinbringung (Option 5) stehen serienmäßig noch nicht zur Verfügung.
Die evtl. Forderung einer NOx-Nachrüstung muss die serienmäßige Verfügbarkeit von dauerhaft effizienten und betriebstauglichen Nachrüstlösungen berücksichtigen. 21
22
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Tagung „Saubere Busse – ein wichtiger Beitrag für bessere Luft in unseren Städten“, Düsseldorf, 19. März 2009