Umwelttechnik für Dieselmotoren: Rußfrei ohne Filter

Wenig beachtet dieseln und rußen auf deutschen Flüssen rund 5 000 Binnenschiffe, ebenso fahren die Loks der Deutschen Bahn zum Teil mit ungefilterten Dieselantrieben. Erst seit 1999 gelten Grenzwerte für Binnenschiffe und Loks. Vorher gebaute Fahrzeuge unterliegen diesbezüglich aber keinen Auflagen. Das Startup-Unternehmen „Exomission Umwelttechnik“ aus dem rheinischen Troisdorf hat nun eine Technik entwickelt, die Ruß bei Schiffsdieseln erst gar nicht entstehen lässt.

Knapp 5 000 Binnenschiffe sind in Deutschland derzeit registriert. Das gesamte europäische Wasserstraßennetz befahren rund 12 000 Schiffe. Motorisiert sind diese Wasserfahrzeuge mit Dieselmotoren. Das Leistungsspektrum spannt sich von 150 kW/204 PS bis zu 3 000 kW/4 080 PS. Da Schiffsmotoren über sehr lange Lebenszyklen verfügen, sind heute entsprechend betagte Motoren unterwegs. Ein Schiffsdiesel mit rund 500 kW/680 PS verbraucht bei Volllast zwischen 80 und 90 Liter Diesel pro Stunde.

Die Schiffsdiesel mit Rußfiltern auszustatten, erweist sich in der Praxis als problematisch. Jeder Motor benötigt eine individuelle Anpassung und verursacht dabei Kosten von bis zu 40 000 Euro. Die meisten Schiffe verfügen über zwei Motoren. Außerdem ist der Wartungsaufwand hoch. Ein generelles Problem bei Filterlösungen resultiert aus einer grundsätzlichen Eigenart der Flussschifffahrt: Stromaufwärts laufen die Motoren mit Volllast und erreichen so die notwendige Temperatur zum Verbrennen des im Filter gesammelten Rußes. Stromabwärts wird nur mit halber Kraft gefahren. Dann aber reichen die Temperaturen nicht zur Verbrennung des Rußes aus. Das erfordert zusätzlichen Aufwand bei der Abgasnachbehandlung.

Das Zauberwort bei der Lösung von Exomission heißt „Kraftstoff-Wasser-Emulsionstechnologie“. Durch die Zugabe von Wasser zum Dieselkraftstoff kann nicht nur Ruß vermieden, sondern auch Stickstoffemissionen deutlich gesenkt werden. Die technische Herausforderung besteht darin, Diesel und Wasser zu einer sogenannten „Emulsion“ zu verbinden. Eine Emulsion ist ein fein verteiltes Gemisch zweier normal nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung.

Die Optimierung der Verbrennung im Dieselmotor erfolgt durch die feine Verteilung des Kraftstoffs während des Einspritzvorgangs. Selbst die maximalen Einspritzdrücke, die bei modernen Commonrail-Dieseln in Autos über 2 000 Bar erreichen, zerstäuben den Kraftstoff aber noch immer nicht fein genug, um ihn rußfrei zu verbrennen. Das Verfahren, das die Troisdorfer Tüftler für den Emulgierprozess entwickelt haben, beschleunigt Wasser und Kraftstoff nahezu auf Schallgeschwindigkeit. Dabei verwirbeln die Flüssigkeiten zu feinsten Tröpfchen und bilden dabei eine homogene Emulsion, bei der jeder Dieseltropfen schließlich über einen Kern aus Wasser verfügt.

Gelangen diese Tröpfchen via Einspritzung in den heißen Brennraum, dehnt sich der Wasserkern mit seinem niedrigeren Siedepunkt von 100 Grad Celsius explosionsartig aus. Das zerreißt den ihn umgebenden Kraftstoff in Teile, die so winzig sind, dass sie vollständig verbrennen können. Dadurch reduziert sich die Rußbildung um bis zu 90 Prozent, Stickoxide fallen als Nebenprodukt um bis zu 45 Prozent geringer aus. Denn das Wasser im Kraftstoff kühlt nicht zuletzt den Brennraum ab. Je höher die Temperatur, desto mehr Stickoxide entstehen.

Dass diese Technik auch in der Praxis funktioniert, hat der Hersteller im Verlauf des Sommers in Zusammenarbeit mit dem TÜV nachgewiesen. Ab Oktober sollen die ersten praktischen Anwendungen laufen. Christian Elvers, Sprecher von Exomission bringt die Vorzüge der neuen Technik auf den Punkt: „Die Technik ist bei allen Dieselmotoren nachrüstbar. Die Einrichtung erfordert keine Umbauten an Motor oder Einspritzung. Mangels beweglicher Teile für die Erzeugung der Emulsion ist die neue Technik nahezu verschleiß- und wartungsfrei. Die Dosierung des Wassers erfolgt lastabhängig durch die Steuerelektronik.“

Für den Anwender besteht der Vorteil der neuen Technik nicht zuletzt darin, dass der Wasseranteil beim Kraftstoff den Verbrauch von Diesel reduziert. Somit spart die Emulsions-Technik einen Teil der Kosten im Verlauf der Betriebszeit wieder ein.

Für die Zukunft sieht Exomission die Anwendung der Umwelttechnik nicht nur auf Binnenschiffe beschränkt. Sie eignet sich auch für alle Diesellokomotiven, die alleine in Deutschland rund 95 Millionen Kilometer im Jahr zurücklegen und dabei durch die Zentren der Städte rußen. Ein weiteres Anwendungsfeld öffnen in kommenden Jahren auch Seeschiffe oder schwere Sonderfahrzeuge wie Baumaschinen.