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BMBF – Programm

Forschung für den Klimaschutz und Schutz vor Klimawirkung

Verbundprojekt

BIOCLEAN
MAN B&W

Gesamtziel des Verbundprojekts BIOCLEAN

Mittelschnelllaufende Diesel-Großmotoren befinden sich sowohl in der Schifffahrt als auch überwiegend in Entwicklungs- und Schwellenländern als Motorenkraftwerke weltweit im Einsatz. Das Verhalten mittelschnell laufender Diesel – Großmotoren bezüglich ihrer Emissionen von klimarelevanten Gasen wie CO2, von treibhausaktiven Gasen der Stickstoffoxid – Ozon – Kette und insbesondere von Partikeln ist bisher kaum erforscht. Dies gilt insbesondere für die Anwendung regenerativer/alternativer Kraftstoffe. Im vorliegenden Projektvorschlag soll das Emissionsverhalten der Motoren unter Einsatz unterschiedlicher Treibstoffe (Biotreibstoff, regenerative Treibstoffe) bezüglich CO2, NOx, Kohlenwasserstoffe, SO2, H2SO4 und Partikel untersucht werden. Durch die gleichzeitige Betrachtung von CO2 und anderen klimawirksamen Komponenten kann eine mögliche Erhöhung der Emissionen klimarelevanter Stoffe bei gleichzeitiger Reduktion der CO2 – Emissionen berücksichtigt werden. Das weltweite Reduktionspotential an klimaaktiven Emissionen durch die Nutzung alternativer Kraftstoffe soll für beide Anwendungsarten (Motorkraftwerke, Schiffsmotoren) in Modellstudien untersucht werden. Diese Studien sollen die Basis für Entscheidungen schaffen, wo und unter welchen Bedingungen der Einsatz alternativer Kraftstoffe besonders sinnvoll ist.

Das Konsortium erachtet die Quantifizierung möglichst aller klimawirksamen Komponenten, auch bei der Verwendung regenerativer und/oder alternativer Kraftstoffe, besonders auf Grund der weltweiten Verbreitung solcher Motoren sowohl im stationären Einsatz als auch in der Seefahrt als wichtigen Beitrag zur Erreichung der nationalen Klimaschutzziele. In der Summe wird das Projekt Entscheidungshilfen und technische Umsetzungsvarianten für die zu erwartenden Emissionsreduktionen und daraus folgend für die zu erwartende verringerte Klimawirksamkeit dieser Emissionen zur Verfügung stellen, falls Schiffsantriebe und Motorkraftwerke auf Biotreibstoffe oder regenerative Treibstoffe umgestellt werden.


Bezug zu förderpolitischen Zielen
des BMBF – Programms Forschung für den Klimaschutz und Schutz vor Klimawirkung

Das CO2 – Minderungspotential des Projektvorschlags ergibt sich aus der Gesamtleistung der weltweit in Betrieb befindlichen Motorenanlagen mit mittelschnell laufenden Viertakt-Dieselmotoren nach Design von MAN B&W Diesel AG (Kraftwerke und Schiffe) von etwa 19.000 MW mit einer jährlichen CO2-Emission von ca. 50 Tg. Bezogen auf eine Gesamt-emission von 1014 Tg(CO2) für Deutschland im Jahr 1990 aus dem nationalen Klimaschutzprogramm ergibt sich ein Einsparpotential von 1%, falls 20% der Motoren auf CO2 – neutrale Treibstoffe aus regenerativen Quellen umgestellt werden. Bei einer – aus technischen Gründen in naher Zukunft unrealistischen – Umstellung aller Motorenanlagen kann ein maximales Einsparpotential von 5% erreicht werden.

Diese Einsparungen können durch CDM ("Clean Development Mechanism") und Emissionshandel den nationalen Einsparzielen zugute kommen. Ein weiteres, jedoch nicht quantifizierbares Einsparpotential liegt in einer effizienteren Verbrennung alternativer Treibstoffe in Motoren an Stelle von ineffizienteren Feuerungsanlagen mit nach geschalteter Dampfturbine. Hier kann mit einer Verdoppelung des Wirkungsgrads beim Wechsel von Feuerungsanlagen zu Motorkraftwerken gerechnet werden.

 Neben CO2 werden noch weitere Abgaskomponenten (CO, NOx, CH4, Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe, SO2 und Aerosole) durch Großmotoren in die Atmosphäre abgegeben. Die CO2-Emissionen aus Schiffensmotoren von etwa 220 Tg (C) yr-1 können nach neuen Schätzungen einen Anteil von bis zu 3.5% der gesamten CO2-Emissionen aus fossiler Verbrennung erreichen. Abhängig davon, wie schnell technologische Verbesserungen insbesondere zur Reduktion der NOx – Emissionen zum Einsatz kommen, können die resultierenden NOx-Emissionen der verschiedenen Szenarien zwischen 8.8 und 25.0 Tg(NO2) in 2020 bzw. 3.1 und 38.8 Tg(NO2) in 2050 variieren. Falls also in der Zukunft maritime Dieselmaschinen nicht mit Techniken ausgestattet werden, die NOx stärker als heute reduzieren, so ist ein weiterer Anstieg bis 38.8 Tg(NO2) zu erwarten. Dieser Wert ist z.B. deutlich höher, als die heutzutage aus dem Straßenverkehr emittierten NOx-Emissionen.

Durch die Emissionen von NOx und CO2 erwartet man einen positiven Strahlungsantrieb, durch die Verringerung der Methanoxidation sowie durch so genannte Ship-Tracks („Kondensstreifen“ in Schiffsabgasfahnen in der maritimen Stratusbewölkung) einen negativen Strahlungsantrieb. Die integrale Klimawirksamkeit eines veränderten Emissionsverhaltens von Schiffs-Großmotoren bei Umstellung des Treibstoffs von fossilen Quellen auf CO2 – neutrale erneuerbare Quellen muss alle klimawirksamen Komponenten der Emissionen berücksichtigen. Das Verbundprojekt strebt an, die gesamte Klimawirkung des geänderten Emissionsverhaltens in CO2 – Äquivalenten auszudrücken, die dann in das gesamte zu realisierende Einsparpotential eingerechnet werden können. Eine Abschätzung des zu erwartenden Einsparpotentials über die CO2 – Emissionen hinaus kann an dieser Stelle noch nicht gegeben werden.

Die in diesem Projekt vorgeschlagenen Arbeiten werden zur Entwicklung neuer technologischer Konzepte für Diesel – Großmotoren zur Emissionsminderung klimawirksamer Komponenten führen. Dies bezieht sich ausdrücklich nicht nur auf CO2, sondern auf alle klimarelevanten Komponenten einschließlich der NOx – O3 – Kette und der Partikel. Mit ihrem Schwerpunkt auf der Nutzung regenerativer und/oder alternativer Treibstoffe flankieren die vorgeschlagenen Arbeiten Fördermaßnahmen anderer Ressorts neben dem BMBF zur Energieumwandlung und rationellen Energienutzung (BMWA) sowie zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe (BMVEL) und erneuerbarer Energien (BMU).

Arbeitsziele

  1. Quantifizierung der Emissionen klimarelevanter Gase wie CO2, treibhausaktiver Gase der Stickstoffoxid – Ozon – Kette und insbesondere der Emission von Partikeln aus mittelschnell laufenden Diesel – Großmotoren;
  2. Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Treibstoffe (Biotreibstoff, regenerative Treibstoffe) auf das Emissionsverhalten der Motoren bezüglich der genannten Emissionskomponenten;
  3. Untersuchung erforderlicher technischer Adaptionen an Diesel-Großmotoren, sowie motortechnischer Aspekte wie die Eignung von alternativen Kraftstoffen und Motor-Betriebsverhalten und Möglichkeiten der Abgasnachbehandlung für beide Anwendungsarten (Motorkraftwerke, Schiffsmotoren), wenn von herkömmlichen Treibstoffen auf regenerative und/oder alternative Treibstoffe umgestellt wird;        
  4. Abschätzung der zu erwartende Reduktion der Emissionen von klimarelevanten Komponenten und CO2 für beide untersuchte Anwendungsarten der Motoren bei Umstellung auf regenerative und/oder alternative Treibstoffe;
  5. Abschätzung der zu erwartenden Klimawirkungen der Emissionen für die untersuchten Treibstoffe und motortechnischen Varianten durch begleitende Modellsimulationen.

 
Arbeitspakete 

Untersuchung des Emissionsverhaltens synthetischer und alternativer Treibstoffe sowie emissionsreduzierender Antriebskonzepte für partikelförmige und gasförmige Schadstoffe

  1. Messungen an Versuchs- und Vollmotorenmotoren mit alternativen und regenerativen Kraftstoffen.
  2. Motorbetrieb mit on-line-Messung der Abgaskomponenten O2 und CO2 und der gasförmigen Schadstoffkomponenten NOx, CO und HC sowie der Erfassung der Partikel und spezieller Gaskomponenten der Schwefel – Familie.

Modellsimulationen zur Quantifizierung der erwarteten Klimawirkung der Emissionen aus synthetischen und alternativen Treibstoffen

  1. Abschätzung der weltweit emittierten Emissionen aus den gemessenen Emissionsfaktoren für gas- und partikelförmige Schadstoffe sowie mittels Annahmen der weltweit eingesetzten Motoren und der globalen Verteilung der Einsatzgebiete.
  2. Bestimmung des Klimaeffekts der CO2-Emissionen der unterschiedlichen Technologien. Þ Abschätzung des Klimaeffekts der partikelförmigen Emissionen.

 
Bewertung alternativer Kraftstoffe und Technologien in Bezug auf ihre Klimawirkung und ihres Einsparpotentials an Treibhausgasen als CO2-Äquivalent

  1. Bewertung alternativer Kraftstoffe und Technologien in Bezug auf ihre Klimawirkung und auf das Einsparpotential an Treibhausgasen.
  2. Vergleich der durch die weltweit installierte Motorenleistung emittierten Komponenten der untersuchten Motoren mit herkömmlichen Treibstoffen sowie herkömmlicher Technologie mit alternativen/regenerativen Kraftstoffen und Technologien. 

Last modified:  July 6, 2007
by Veronika Eyring
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