Pflanzenoeltaugliche Motoren/Umrüstung

Praktischer Einsatz von Rapsöl-Kerosin-Gemisch als Dieseltreibstoff.

"Praktischer Einsatz von Rapsöl-Kerosin-Gemisch als Dieseltreibstoff
Positive Erfahrungen im Langzeiteinsatz, jedoch mit einigen ungeloesten Problemen Manfred Rinaldi, Eidgenoessische Forschungsanstalt für Agrarwirtschaft und Landtechnik (FAT) Taenikon 8356 Ettenhausen

Die Verwendung eines Rapsöl-Kerosin-Gemisches als Dieseltreibstoff ist technisch möglich und praktisch einsetzbar. Dies belegen Langzeiterfahrungen mit einem Traktor auf dem Versuchsbetrieb der FAT. Dieser Dieseltreibstoffersatz stellt damit eine ernsthafte Alternative zum Rapsmethylester (RME) dar, der nur mit relativ grossem technischen Aufwand und erheblichen Kosten hergestellt werden kann.

Der Praxiseinsatz mit einem Traktor der Marke Lindner 1600 A begann am 24. Oktober 1995 bei einem Stand von 1037 Betriebsstunden. Eingesetzt wurde ein Rapsöl-Kerosin-Gemisch im Verhältnis 50 % zu 50 %. Zur Zeit der Drucklegung eines ersten Zwischenberichtes (FAT-Bericht 502/1997, siehe Kasten) hatte der Traktor bereits 406 Betriebsstunden mit Rapsoelgemisch absolviert. Der Traktor kam weiterhin auf dem Versuchsbetrieb ausschliesslich mit dem Gemisch zum Einsatz, und zwar bis zum 29. Juni 2001. Mit 2417 Betriebsstunden, davon die letzten 1380 Stunden ausschliesslich mit Rapsöl-Kerosin-Gemisch, wurde der Einsatzversuch abgebrochen. Insgesamt kamen wärend der ganzen Versuchsdauer 6467 Liter Gemisch zum Einsatz, was einem durchschnittlichen Verbrauch von 4,7 Liter pro Stunde entspricht.

Motorschaeden gab es wärend der ganzen Zeit keine, jedoch hat sich eine kontinuierliche Verschlechterung der Leistungsdaten und Abgaswerte gezeigt, was wohl auf zunehmende Verschmutzung und Verkokung zurueckzufuehren ist.

Während der Versuchsdauer stand der Traktor – auch im Winter – meistens im Freien. Er wurde für alle anfallenden Arbeiten verwendet. Startschwierigkeiten bei tiefen Temperaturen traten nie auf.

Problemstellung

Rudolf Diesel, der Erfinder des nach ihm benannten Verbrennungsmotors, hat bereits mit Pflanzenölen als Energiequelle gearbeitet. Bald jedoch wurden diese durch ein viel billigeres und in der Qualität gleichmaessigeres Erdoelderivat namens Gas- oder eben Dieseloel verdraengt. Durch eine gesteuerte, fraktionierte Destillation kann dieses Erdoelderivat genau den optimalen Anforderungen der Motorenbauer angepasst werden. Bestrebungen, die Motorenkonstruktion einem bestimmten Treibstoff anzupassen, sind immer wieder unternommen worden, der grosse Erfolg ist bisher ausgeblieben. Die Motivation zur Herstellung und Verwendung von Treibstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen ist vielfaeltig und verschiedenartig:

• Endlichkeit des Erdoels
• Unabhaengigkeit von den erdoelexportiernden Staaten
• Umweltschutz (CO2)-Reduktion) · Minderung der landwirtschaftlichen ueberproduktion

In den 1990er Jahren wurde intensiv an der Angleichung besonders der Rapsoelspezifikationen an jene des Dieseloels gearbeitet. Ein gangbarer Weg ist die Umrüstung des für heutige Motoren zu dickfluessigen Rapsoels. Diese Methode wird heute weltweit in grossem Stile angewendet. So bieten z.B. in Deutschland weit über tausend Tankstellen Rapsmethylester (RME) an. Die FAT begann vor nunmehr zehn Jahren mit Arbeiten, diese Anpassung der Rapsoelspezifikationen einfacher als durch die ziemlich aufwaendige Umrüstung zu erreichen. Die Grundidee war, das zu „dicke“ Rapsöl mit einer zu „duennen“ Komponente zu mischen, sodass die gewuenschten Parameter durch das Mischungsverhaeltnis eingestellt werden koennten. In einem gemeinsamen Projekt mit dem Betriebsstofflabor der Eidgenoessischen Material-pruefungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in Duebendorf gelang es, eine solche Mischung aus je zur Haelfte Rapsöl und Kerosin (Flugpetrol) herzustellen, die weitgehend die Erfordernisse von Dieseloel erfuellte. Die Ergebnisse dieses Projektes sind in FAT-Bericht Nr. 502/1997 zusammengefasst. Ziel dieses Versuches ist die Langzeiterprobung eines Rapsöl-Kerosin-Gemisches mit einem handelsueblichen, unveraenderten Traktor unter Praxisbedingungen.

Methoden

Am Traktor erfolgten wärend des ganzen Einsatzes bewusst keinerlei Veraenderungen.
Die Art und der Umfang des Einsatzes oblagen dem Versuchsbetriebsleiter der FAT. Während der Versuchsdauer stand der Traktor – auch im Winter – meistens im Freien. Er wurde für alle anfallenden Arbeiten verwendet, betrieb jedoch vielfach einen Futtermischwagen (Abb. 1).
Erfasst wurden Betriebsstunden, Dieseloelverbrauch und besondere Vorkommnisse wie oelwechsel, Pruefstandsmessungen, Reparaturen, Stoerungen, Motorwartungen usw.
Technische Daten des Motors des Versuchstraktors Lindner 1600 A Motor: Perkins Typ T 3.152, 3 Zylinder, wassergekuehlt, Bohrung 91,44 mm, Hub 127 mm, Hubraum 2502 cm3, Nennleistung 41 kW, Nenndrehzahl 2200, obere Leerlaufdrehzahl 2510, CAV Verteilereinspritzpumpe DPA.

Treibstoffherstellung,

Lagerung und Handling Die Herstellung der Mischung erfolgte in 200-Liter-Faessern, gefuellt mit Rapsöl und Kerosin im Verhältnis 1:1 und unter Zugabe von 0,2 Liter Additiv. Es ist wichtig, zu bemerken, dass zuerst das Rapsöl bis zur Haelfte eingefuellt und dann direkt von der Tankstelle mit Kerosin aufgefuellt wurde. Dadurch erreicht man groessere Sicherheit gegen Brandgefahr beim Transport, da auf diese Weise der Flammpunkt nie unter 55 °C sinkt.
Die Lagerung sowohl des Rapsoels als auch des Gemisches erfolgte wärend der ganzen Versuchsdauer in 200-Liter- Faessern. Auch nach mehrjaehriger Lagerung des Gemisches traten keine Entmischungserscheinungen auf. Kerosin loest sich – aehnlich wie Alkohol im Wasser – im Rapsöl auf.

Spezifischer Verbrauch

Der spezifische Verbrauch (g/kWh) ist ein Mass für den Wirkungsgrad des Traktors.
Gramm pro Stunde (g/h) beschreibt die mit dem Dieseloel zugefuehrte Leistung
und kW bezeichnet die an der Zapfwelle abgegebene Leistung. Ein Beispiel: 270 g/kWh bedeuten, dass der Traktor für ein Kilowatt Leistung an der Zapfwelle 270 g/h Dieseloel verbraucht. Anders ausgedrueckt erzeugt ein Kilogramm pro Stunde zugefuehrten Dieseloels 3,7 kW an der Zapfwelle. Je groesser der spezifische Verbrauch, desto kleiner ist der Wirkungsgrad.
In unserem Falle zeigen sich zwei verschiedene Kurvenpaare (Abb. 5), die jeweils im Bereich von 1500 bis 1700 Umdrehungen pro Minute paarweise eng beieinander liegen.
Der Grund für dieses Verhalten könnte in der Reparatur der CAV-Einspritzpumpe nach 982 Laufstunden zu suchen sein.
Bei 1700 U/min ist der spezifische Verbrauch bei Versuchsbeginn und nach der Reparatur der Einspritzpumpe nahezu identisch und nimmt dann mit zunehmender Betriebsdauer nahezu gleichmässig zu (Abb. 6). Mit anderen Worten:
Mit zunehmender Betriebsdauer sinkt der Wirkungsgrad des Traktors, was mit Veraenderungen im Einspritzsystem und mit zunehmender Verkokung der Einspritzdüsen und damit schlechterer Verbrennung zu tun haben muss. Durch einen zeitweiligen Betrieb mit Dieseloel bei hoher Motorbelastung kann ein Selbstreinigungseffekt erzielt werden. Auf diese Möglichkeit wurde in diesem Versuch bewusst verzichtet.

Volllast-Rauch

Der Vergleich der Rauchzahlen nach BOSCH ergibt ein uneinheitliches Bild und lässt keine eindeutige Interpretation zu.

Emissionen

Während der Versuchsdauer wurden drei Abgasmessungen nach ISO 8178-4 C1 durchgefuehrt. Auch hier zeigt sich eine Verschlechterung der Abgaswerte NOx und CO mit zunehmender Betriebsdauer.
Dies duerfte ebenfalls auf eine zunehmende Verkokung der Einspritzdüsen zurueckzufuehren sein. Die Unterschiede der NOx- und CO-Werte der Messungen vom 18.04.00 und vom 28.06.01 duerften von einer unterschiedlichen Einstellung der Einspritzpumpe herruehren (Abb. 8). Die Einspritzpumpe wurde am 22.02.2000 repariert.
Zum Vergleich sind noch die Grenzwerte nach den EU-Vorschriften 97/68/EC bzw. 2000/25/EC Stage 1 und Stage 2 dargestellt.
Dieser zugegeben alte Traktor ist sehr weit davon entfernt.

Vorkommnisse wärend des Praxiseinsatzes

Das additivierte Rapsöl-Kerosin-Gemisch funktioniert im Praxiseinsatz zufriedenstellend.
Die bis heute betriebenen Motoren (siehe auch FAT-Bericht Nr. 502/1997) erlitten keine Schäden, die eindeutig auf den Mischtreibstoff zurueckzufuehren sind.
Beim verwendeten Traktor Lindner 1600 A musste nach 2020 Betriebsstunden, davon 983 Stunden mit Rapsoelgemisch, die Einspritzpumpe revidiert werden. Es zeigten sich starke Verschleisserscheinungen an der Laufbahnoberflaeche des Hydrorotors und des zugehoerigen Nockenringes. Kosten Fr. 1600.–. (ca. 1050.- €)Dieser Schaden konnte jedoch nicht eindeutig auf die Verwendung des Rapsöl-gemisches zurueckgefuehrt werden und ist auch nicht wieder aufgetreten.

Einer Besonderheit beim Schmieroel musste Beachtung geschenkt werden:
Das Schmieroelniveau stieg wärend des Betriebes kontinuierlich an. Das erklärt sich damit, dass der Rapsoelanteil von ins Schmieroel gelangendem Treibstoff infolge des hohen Siedepunktes von mehr als 350 °C nicht verdampfte. Der hohe Rapsoelanteil stoerte jedoch nicht, da Rapsöl eine gute Schmierfaehigkeit besitzt und die Viskosität bei Betriebstemperatur nur geringfuegig erhöht wird (siehe FATBericht 502/1997, Seite 11). Das Problem wurde so geloest, dass beim oelwechsel nur bis zum Minimalstand aufgefuellt und jeweils beim Erreichen des Maximalstandes ein erneuter oelwechsel vorgenommen wurde.

Treibstoffsteuer

Die Wirtschaftlichkeit von Treibstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen wird wesentlich von der Hoehe der Besteuerung bestimmt. Zurzeit sind in der Schweiz solche Treibstoffe bis zu einer beschraenkten Menge steuerfrei, wenn sie aus Pilot- und Demonstrationsanlagen stammen. Unsicherheit besteht jedoch bei der Besteuerung von Mischungen.
Logischerweise duerfte nur der mineralischen Anteil besteuert werde. Bis heute jedoch ist diese Frage in der Schweiz nicht eindeutig geklaert.
Die teilweise Rueckerstattung der Mineralölsteuer an die Landwirtschaft, die bei Verwendung von steuerbefreiten, erneuerbaren Treibstoffen nicht gewaehrt wird, verhindert die Verwendung von Treibstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen in der Landwirtschaft selbst.
So entsteht die eigentuemliche Situation, das sich gerade der Landwirt umweltschonendes Dieseloel nicht leisten kann, weil er für dieses keine Mineralölsteuer- Rueckerstattung erhaelt und es somit für ihn zu teuer ist.

Garantiegewaehrung

Weitere Anstrengungen sind noch auf den Gebieten der Normung, der praktischen und rationellen Treibstoffherstellung in groesseren Mengen und der Qualitaetssicherung noetig. Klare und rueckverfolgbare Verhältnisse sind die Voraussetzung für einen stoerungsfreien Betrieb und in der Folge für die Freigabe durch die Motorenhersteller.
Der Garantieanspruch gegenüber dem Hersteller bei einem Motorschaden erlischt in der Regel, wenn ein nicht konformer Treibstoff verwendet wird.

Schlussfolgerungen

Die Verwendung des additivierten Rapsöl–Kerosin–Gemisches als Dieseltreibstoff ist technisch machbar. Auch nach fast fuenfjaehrigem, ununterbrochenem Einsatz in einem Traktor auf dem Versuchsbetrieb der FAT und unter teilweise unguenstigen Bedingungen haben sich keine Nachteile gegenüber reinem mineralischem Dieseloel gezeigt. Ein Vorteil dieser Mischung sind die sehr guten Kaltstarteigenschaften.

Weitere praktische Erfahrungen sind mit Bezug auf zukuenftige Freigaben durch Motorenhersteller noetig. Die Frage der Besteuerung dieser Treibstoffmischung ist noch nicht geklaert, und die Rahmenbedingungen für einen grossflaechigen Einsatz fehlen noch.

Ein in diesem Bericht nicht behandelter positiver Aspekt ist die CO2)-Reduktion durch die Verwendung des nachwachsenden Rohstoffes Rapsöl. Im Gegensatz zu Rapsmetyhlester (RME, FAT-Bericht Nr. 514/1998) kann die Mischung mit einem Minimum an Investitionskosten kleingewerblich hergestellt werden. Nebenprodukte oder schaedliche Umweltbelastungen gibt es bei der Herstellung nicht.

Herausgeber:
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