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'22
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MTU News
HVO-KRAFTSTOFF ERFOLGREICH FÜR DIESEL-AGGREGATE GETESTET
Die Energielandschaft verändert sich schnell mit einer klaren Ausrichtung auf sauberere Lösungen auf dem Weg zur Klimaneutralität. Ziel ist es, die Umweltauswirkungen zu reduzieren, ohne dafür Abstriche bei den Vorzügen von Diesel-Aggregaten zu machen, wie bei ihrer Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lastakzeptanz.
Prüfung der Kraftstoffleistung
Rolls-Royce gibt den Einsatz von synthetischem paraffinischem Dieselkraftstoff, auch hydriertes Pflanzenöl oder HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) bezeichnet, für die mtu-Diesel-Aggregate der Baureihen 4000 und 1600 für die Energieversorgung frei. Dieses Whitepaper liefert einen detaillierten Überblick über die Tests, die an einem mtu-Diesel-Aggregat der Baureihe 4000 durchgeführt wurden, im Betrieb mit standardmäßigem Dieselkraftstoff und mit HVO-Kraftstoff.
Systemprüfungen wurden im Feldversuch mittels mobiler Messtechnik durchgeführt. Reine Motorprüfungen fanden auf einem Prüfstand statt, was genauere Datenergebnisse liefert. Die Prüfergebnisse bestätigen die Effizienz von HVO als Drop-in-Kraftstoff für mtu-Diesel-Aggregate. Eine vergleichende Gegenüberstellung der Leistungskriterien von Diesel- und HVO-Kraftstoff brachte keine signifikanten Auswirkungen auf die allgemeine Leistung zutage. Genau genommen zeigten sich einige positive Faktoren bei der Verwendung von HVO.
Die Prüfung mit HVO ergab:
- eine Reduktion der Emissionen von NOx, CO2 und Feinstaub (PM)
- ein verbessertes Lastakzeptanzverhalten
- volle Leistungsfähigkeit
- eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs
Diese Prüfung wurde unter Verwendung eines mtu-Motors vom Typ 20V 4000 G94S sowie eines mtu-Strom-Aggregats vom Typ 20V 4000 DS3000 durchgeführt.
Die Bewertung dieser Prüfung bezog sich auf die folgenden Bereiche:
- das Verhalten über verschiedene Laststufen: Diesel & HVO
- Emissionsprüfungen: Diesel & HVO
- Vergleich des Kraftstoffverbrauchs
- Dauerlauf mit HVO
Getestete Kraftstoffe
Die vergleichende Prüfung der Leistung des Strom-Aggregats wurde unter Einsatz von destilliertem Dieselkraftstoff und HVO durchgeführt. Der verwendete Dieselkraftstoff entsprach DIN 51603 (B0) und der HVO-Kraftstoff entsprach EN15940 Class A. In den USA fanden reine Motortests unter Verwendung von besonders schwefelarmem Dieselkraftstoff (ULSD) und HVO entsprechend ASTM 975 statt. In der nachstehenden Tabelle sind auch ASTM D975 und EN 590 als Referenz angegeben.
Für die Tests wurde HVO-Kraftstoff von Shell verwendet und mit den Standards verglichen. Die Kraftstoffspezifikationen weisen Bandbreiten, Maxima oder Minima für verschiedene Kraftstoffeigenschaften aus.
Test-Ergebnisse
Die Tests wurden an einem kompletten Diesel-Aggregat durchgeführt. Die auf dem Typenschild des Strom-Aggregats angegebenen Nennwerte wurden mit beiden Kraftstoffen erfüllt. Die Prüfausstattung zur Abgasmessung war dem Motor nachgeschaltet in die Abgasanlage eingebaut worden.
Kraftstoffverbrauch
Bei den in Abbildung 1 gezeigten Daten handelt es sich um via Datenerfassung eines Motorsteuergeräts (ECM) aufgezeichnete Motordaten, wobei Motorleistung und Kraftstoffverbrauch an jedem Lastpunkt vergleichend gegenübergestellt werden. Die Anlage wurde mit den beiden verschiedenen Kraftstoffen betrieben und auf jeder Laststufe mit der gleichen elektrischen Last beaufschlagt.
Abbildung 1
Die folgende Abbildung 2 zeigt den Kraftstoffverbrauch für die Laststufen entsprechend dem EPA D2-Zyklus an einem Motorbremsenprüfstand. Die Ergebnisse zeigen, dass HVO eine höhere Energie pro Masse, aber eine geringere Energie pro Volumen besitzt. Die Kraftstoffverbrauchswerte für HVO könnten also geringfügig von den veröffentlichten Werten für destillierten Dieselkraftstoff abweichen, was zu berücksichtigen ist, wenn die Freigabe auf Basis des Kraftstoffverbrauchs erfolgt.
Das linke Schaubild zeigt, dass sich der spezifische Kraftstoffverbrauch bei Einsatz von HVO verbessert, was sich durch den höheren Verbrennungswirkungsgrad erklären lässt, da HVO eine höhere Cetan-Zahl besitzt. Demgegenüber zeigt das rechte Schaubild einen geringfügig höheren volumetrischen Kraftstoffverbrauch, was der geringeren Dichte von HVO zugeschrieben werden kann.
Abbildung 2: Kraftstoffverbrauch bei den Tests auf dem Motorprüfstand
NOx im Vergleich
Was die NOx-Werte anbelangt, so wird den Grafiken ein 5-Prozent-Fehlerbalken hinzugefügt, um mögliche Sensorfehler auszuweisen (Abbildung 3). Die Daten zeigen eine Reduktion von NOx von ungefähr 8 % bei Betrieb mit HVO, wobei die Reduktion bei geringeren Belastungen größer ausfällt. Betrachtet man den gewichteten EPA-Durchschnitt (D2-Zyklus), so tritt die Differenz einer möglichen Reduktion noch deutlicher zutage (Abbildung 4).
Abbildung 3
Abbildung 4
CO2 im Vergleich
Der Test analysierte die Auspuff-Emissionen, einschließlich der CO2-Werte. Bei der Prüfung der Emissionen im D2-Zyklus wurde eine Verringerung von 3 % festgestellt.Der eigentliche CO₂-Vorteil von HVO und der Grund, warum es als erneuerbarer Kraftstoff gilt, spiegelt sich nicht in den Daten wider, sondern liegt in den Rohstoffen und der gesamten CO2-Reduzierung von der Quelle bis zum Rad (Well-to-Wheel) begründet. Während Kohle kein CO₂ absorbiert, bevor sie in Dieselkraftstoff umgewandelt wird, absorbieren die für HVO verwendeten Ausgangsstoffe (wie Sonnenblumen) CO₂. Dies führt zu einem sehr geringen Anstieg der gesamten CO₂-Emissionen bei der Verwendung von HVO. Die CO₂-Neutralität ist je nach Rohstoff und Produktionsverfahren unterschiedlich.
Abbildung 5
Feinstaub (PM) im Vergleich
Eine erhebliche Verringerung der Feinstaub-Emissionen konnte beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff beobachtet werden. Die Feinstaub-Emissionen gingen in einer Größenordnung von 50 % - 80 % zurück, je nach Lastpunkt, wobei der Rückgang der Emissionen im D2-Zyklus 42 % betrug.
Abbildung 6
Transientes Verhalten
Das transiente Verhalten bei Betrieb mit HVO-Kraftstoff ist vergleichbar mit der Leistung bei einem Betrieb mit destilliertem Dieselkraftstoff. Die Abbildung 7 zeigt eine Zusammenfassung der Lastschritte mit dem entsprechenden Frequenzabfall und der entsprechenden Erholungszeit.
Die Abbildungen 8 und 9 zeigen das Verhalten eines jeden Kraftstoffs sowie die Abnahmetoleranz nach ISO 8528 für die Spannung und Frequenz.
Die „End of Line (EoL)‟-Parameter für diesen Motor wurden bei Verwendung von Dieselkraftstoff angepasst. Die Abbildung 9 zeigt, dass die gleiche Höchstleistung bei Betrieb mit HVO erreicht wurde, und dies selbst dann, wenn die „End-of-Line‟-Tests unter Einsatz von Dieselkraftstoff erfolgen.
Abbildung 7
Abbildung 8: Transientes Verhalten bei Betrieb mit destilliertem Dieselkraftstoff
Abbildung 9: Transientes Verhalten bei Betrieb mit HVO-Kraftstoff
Fazit
Die Verwendung von HVO als ein „Drop-in‟-Kraftstoff ergab eine akzeptable Leistung in den getesteten Anwendungen. Daher wird HVO-Kraftstoff zur Verwendung in mtu-Strom-Aggregaten der Baureihen 4000 und 1600 zugelassen.
Die Tests ergaben, dass die auf dem Typenschild angegebenen Leistungen unter Verwendung beider Kraftstoffe gleichermaßen erreicht werden können. Außerdem zeigten die Tests die nachgenannten Vorteile beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff gegenüber destilliertem Dieselkraftstoff :
Die vergleichende Prüfung der Leistung des Strom-Aggregats wurde unter Einsatz von destilliertem Dieselkraftstoff und HVO durchgeführt. Der verwendete Dieselkraftstoff entsprach DIN 51603 (B0) und der HVO-Kraftstoff entsprach EN15940 Class A. In den USA fanden reine Motortests unter Verwendung von besonders schwefelarmem Dieselkraftstoff (ULSD) und HVO entsprechend ASTM 975 statt. In der nachstehenden Tabelle sind auch ASTM D975 und EN 590 als Referenz angegeben.
Für die Tests wurde HVO-Kraftstoff von Shell verwendet und mit den Standards verglichen. Die Kraftstoffspezifikationen weisen Bandbreiten, Maxima oder Minima für verschiedene Kraftstoffeigenschaften aus.
Test-Ergebnisse
Die Tests wurden an einem kompletten Diesel-Aggregat durchgeführt. Die auf dem Typenschild des Strom-Aggregats angegebenen Nennwerte wurden mit beiden Kraftstoffen erfüllt. Die Prüfausstattung zur Abgasmessung war dem Motor nachgeschaltet in die Abgasanlage eingebaut worden.
Kraftstoffverbrauch
Bei den in Abbildung 1 gezeigten Daten handelt es sich um via Datenerfassung eines Motorsteuergeräts (ECM) aufgezeichnete Motordaten, wobei Motorleistung und Kraftstoffverbrauch an jedem Lastpunkt vergleichend gegenübergestellt werden. Die Anlage wurde mit den beiden verschiedenen Kraftstoffen betrieben und auf jeder Laststufe mit der gleichen elektrischen Last beaufschlagt.
Abbildung 1
Die folgende Abbildung 2 zeigt den Kraftstoffverbrauch für die Laststufen entsprechend dem EPA D2-Zyklus an einem Motorbremsenprüfstand. Die Ergebnisse zeigen, dass HVO eine höhere Energie pro Masse, aber eine geringere Energie pro Volumen besitzt. Die Kraftstoffverbrauchswerte für HVO könnten also geringfügig von den veröffentlichten Werten für destillierten Dieselkraftstoff abweichen, was zu berücksichtigen ist, wenn die Freigabe auf Basis des Kraftstoffverbrauchs erfolgt.
Das linke Schaubild zeigt, dass sich der spezifische Kraftstoffverbrauch bei Einsatz von HVO verbessert, was sich durch den höheren Verbrennungswirkungsgrad erklären lässt, da HVO eine höhere Cetan-Zahl besitzt. Demgegenüber zeigt das rechte Schaubild einen geringfügig höheren volumetrischen Kraftstoffverbrauch, was der geringeren Dichte von HVO zugeschrieben werden kann.
Abbildung 2: Kraftstoffverbrauch bei den Tests auf dem Motorprüfstand
NOx im Vergleich
Was die NOx-Werte anbelangt, so wird den Grafiken ein 5-Prozent-Fehlerbalken hinzugefügt, um mögliche Sensorfehler auszuweisen (Abbildung 3). Die Daten zeigen eine Reduktion von NOx von ungefähr 8 % bei Betrieb mit HVO, wobei die Reduktion bei geringeren Belastungen größer ausfällt. Betrachtet man den gewichteten EPA-Durchschnitt (D2-Zyklus), so tritt die Differenz einer möglichen Reduktion noch deutlicher zutage (Abbildung 4).
Abbildung 3
Abbildung 4
CO2 im Vergleich
Der Test analysierte die Auspuff-Emissionen, einschließlich der CO2-Werte. Bei der Prüfung der Emissionen im D2-Zyklus wurde eine Verringerung von 3 % festgestellt.Der eigentliche CO₂-Vorteil von HVO und der Grund, warum es als erneuerbarer Kraftstoff gilt, spiegelt sich nicht in den Daten wider, sondern liegt in den Rohstoffen und der gesamten CO2-Reduzierung von der Quelle bis zum Rad (Well-to-Wheel) begründet. Während Kohle kein CO₂ absorbiert, bevor sie in Dieselkraftstoff umgewandelt wird, absorbieren die für HVO verwendeten Ausgangsstoffe (wie Sonnenblumen) CO₂. Dies führt zu einem sehr geringen Anstieg der gesamten CO₂-Emissionen bei der Verwendung von HVO. Die CO₂-Neutralität ist je nach Rohstoff und Produktionsverfahren unterschiedlich.
Abbildung 5
Feinstaub (PM) im Vergleich
Eine erhebliche Verringerung der Feinstaub-Emissionen konnte beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff beobachtet werden. Die Feinstaub-Emissionen gingen in einer Größenordnung von 50 % - 80 % zurück, je nach Lastpunkt, wobei der Rückgang der Emissionen im D2-Zyklus 42 % betrug.
Abbildung 6
Transientes Verhalten
Das transiente Verhalten bei Betrieb mit HVO-Kraftstoff ist vergleichbar mit der Leistung bei einem Betrieb mit destilliertem Dieselkraftstoff. Die Abbildung 7 zeigt eine Zusammenfassung der Lastschritte mit dem entsprechenden Frequenzabfall und der entsprechenden Erholungszeit.
Die Abbildungen 8 und 9 zeigen das Verhalten eines jeden Kraftstoffs sowie die Abnahmetoleranz nach ISO 8528 für die Spannung und Frequenz.
Die „End of Line (EoL)‟-Parameter für diesen Motor wurden bei Verwendung von Dieselkraftstoff angepasst. Die Abbildung 9 zeigt, dass die gleiche Höchstleistung bei Betrieb mit HVO erreicht wurde, und dies selbst dann, wenn die „End-of-Line‟-Tests unter Einsatz von Dieselkraftstoff erfolgen.
Abbildung 7
Abbildung 8: Transientes Verhalten bei Betrieb mit destilliertem Dieselkraftstoff
Abbildung 9: Transientes Verhalten bei Betrieb mit HVO-Kraftstoff
Fazit
Die Verwendung von HVO als ein „Drop-in‟-Kraftstoff ergab eine akzeptable Leistung in den getesteten Anwendungen. Daher wird HVO-Kraftstoff zur Verwendung in mtu-Strom-Aggregaten der Baureihen 4000 und 1600 zugelassen.
Die Tests ergaben, dass die auf dem Typenschild angegebenen Leistungen unter Verwendung beider Kraftstoffe gleichermaßen erreicht werden können. Außerdem zeigten die Tests die nachgenannten Vorteile beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff gegenüber destilliertem Dieselkraftstoff :
- geringere NOx-, PM- und CO2-Emissionen in nahezu allen Lastpunkten
- eine marginale Verbesserung des transienten Verhaltens
Wie bei allen Kraftstoffen muss der Betreiber eng mit seinem Kraftstofflieferanten zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass er den optimalen Kraftstoff für seine Anwendung und Installation erhält. Außerdem muss das Kraftstofflager einer Bewertung im Hinblick auf seine Eignung unterzogen werden, da es wichtig ist, dass der Kraftstoff eine akzeptable Qualität aufweist, um die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit des Produkts sicherzustellen. Und schließlich sollte das Ausgangsmaterial für den HVO-Kraftstoff einer genauen Betrachtung unterzogen werden, um die „Well-to-Wheel“-CO2-Reduktion und die Umweltbelastung einer ehrlichen Bewertung unterziehen zu können.
Bitte setzen Sie sich mit Ihrer mtu-Vertretung vor Ort in Verbindung, wenn Sie HVO-Kraftstoff verwenden möchten.
www.mtu-solutions.com
Bitte setzen Sie sich mit Ihrer mtu-Vertretung vor Ort in Verbindung, wenn Sie HVO-Kraftstoff verwenden möchten.
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