HyDie, Dual-Fuel-Bus – Wasserstoff-Diesel Dual-Fuel-Antrieb zur schnellen Reduzierung der CO²-Emissionen im ÖPNV (Öffentlichen Personennahverkehr)

Ausgangssituation/Motivation

Im Schwerlastverkehr werden vorrangig leistungs- und drehmomentstarke Dieselmotoren eingesetzt. Alternative Antriebstechnologien, wie sie im PKW-Verkehr diskutiert und bereits erprobt werden, sind in diesem Verkehrsbereich heute nicht sinnvoll einsetzbar.

Sowohl Elektroantriebe als auch Brennstoffzellenantriebe können die speziell im Schwerlastverkehr notwendige Energie- und Leistungsdichte, sowie die Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit nicht darstellen. Auch die Kosten für entsprechende Aggregate stehen einer breiten Einführung dieser Technologien entgegen.

2012 wurde eine von Alset (Technologie und Maschinenbau Firma) beauftragte Voruntersuchung zum Dual-Fuel Wasserstoff-Diesel Brennverfahren an einem 6-Zylinder PKW-Reihen-Dieselmotor mit 3 Liter Hubraum durchgeführt.

Nach den positiven Ergebnissen wurden Gespräche mit verschiedenen BusbetreiberInnen und einem Bushersteller geführt und großes Interesse und auch der Bedarf an der Antriebstechnologie HyDie Dual-Fuel-Busantrieb festgestellt, die im Rahmen dieses Projekts untersucht wurde.

Inhalte und Zielsetzungen

Im Rahmen des industriellen Forschungsprojekts soll das in der Voruntersuchung angedeutete Potential erstmals in einem Nutzfahrzeug-/ Busmotor dargestellt werden. Folgende Ziele stehen im Fokus:

• unverminderte Antriebsleistung
• bis zu 80% Einsparung von Dieselkraftsoff
• bis zu 80% CO² -Einsparung bei Betankung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien
• Verbesserung des Wirkungsgrads
• deutliche Reduzierung der Partikel-Emissionen
• deutliche Reduzierung der Hydrocarbon-Emissionen
• Reduzierung der NOX-Emissionen im Teillastbereich
• Bei der Kombination von Biodiesel mit Wasserstoff kann die CO²-Reduktion sogar 100% erreichen.

Methodische Vorgehensweise

Durch konstruktive Modifikationen an Saug- und Abgassystem basierend auf 1D-Strömungssimulationsrechnungen wurde die Basis für den Wasserstoff-Diesel Dual-Fuel-Betrieb geschaffen.

Des Weiteren waren die erforderlichen Funktionalitäten für die Zylinder-selektive Einbringung von Wasserstoff in das Saugrohr, Steuerung des Ladungswechsels und der Verbrennung in die Motorsteuerung zu implementieren. Die Grundauslegung für die Simulation erfordert die Erstellung eines entsprechenden 1D-Ladungswechsel-Modells.

In einem konstruktiven Teil wurde dann die reale Umsetzung geprüft und durchgeführt sowie die gegebenenfalls erforderlichen Änderungen in die Simulation zurückgeführt. Die endgültige konstruktive Lösung für die Wasserstoffeinbringung ins Saugrohr (H2-Rail, H2-Injektoraufnahme), die Anpassung der Abgasführung inklusive Turbolader sowie die Sensoradaption wurde im nächsten Schritt in Form von Prototypen-Teilen umgesetzt.

Es wurde festgestellt, dass für den Wasserstoff-Diesel-Betrieb eine Anpassung der Brennraumgeometrie vorteilhaft sein kann (z.B. Änderung von Verdichtung oder Muldengeometrie).

Ergebnisse und Ausblick

Im Rahmen dieses Projekts wurden die wissenschaftlichen Voraussetzungen geschaffen um unterschiedlichste Nutzfahrzeugmotoren auf dieses Dual-Fuel-Betriebsverfahren nachzurüsten und diese Umrüstung auch bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich zu gestalten.

Eine Umrüstung von mechanischen Bauteilen am Motor ist zwar notwendig, hier beschränken sich die Abänderungen jedoch auf den Tausch von einzelnen Bauteilen.

Sollte sich das Potential bestätigen wird in einem anschließenden Vorentwicklungsprojekt ein HyDie-Prototypen-Motor für den Antrieb eines Stadtbusses weiterentwickelt und aufgebaut werden.

Projektleitung

Ao.Univ.-Prof. Dr. Peter Sturm, Forschungsgesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik mbH

Projektpartner

• Dr. Peter Grabner, TU Graz – Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
• DI Gonzalo Auil, Alset GmbH

Forschungsgesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik mbH
Ao.Univ.-Prof. Dr. Peter Sturm
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