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