Technische Ziele, Rahmenbedingungen und wissenschaftliche Begleitforschung
Prof. Dr.-Ing. habil. E. Hassel, Dipl.-Chem. S. Berndt, Dipl.-Ing. E. Flügge, Dipl.-Ing. W. Harkner, Dr. rer. nat. U. Schümann, Dipl.-Ing. V. Wichmann
Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren
1. Vorwort
Erneuerbare Energien sind im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen unerschöpflich und werden als eine Maßnahme zur Realisierung der politischen Ziele, Klimaschutz durch Reduzierung der CO2-Belastung und Ressourcenschonung durch Substitution fossiler Kraftstoffe angesehen. In der Landwirtschaft wird mit dem Anbau von Pflanzen als nachwachsende Energieträger ein neues Absatzgebiet erschlossen. Pflanzenöle sind nachwachsende flüssige Kraftstoffe. Öle auf Rapsbasis in Deutschland und auf Sonnenblumenbasis in Südeuropa sind in ihrem äußeren Gebrauch den fossilen Kraftstoffen ähnlich, dass heißt sie besitzen eine hohe Energiedichte, sie sind pumpbar und lagerfähig. Hervorzuheben ist die sehr gute Umweltverträglichkeit von Pflanzenölen, wodurch diese Kraftstoffe für den Einsatz in umweltsensiblen Bereichen, wie z. B. in der Land- und Forstwirtschaft prädestiniert sind.
Viele landwirtschaftliche Betriebe sind seit einigen Jahren auf der Suche nach einer wirtschaftlichen Alternative zum Dieselkraftstoff, da der Zuschuss zum Agrardiesel nicht über Jahre gesichert ist und so eine erhebliche Mehrbelastung der Betriebe droht. Biodiesel stellt keine deutlich wirtschaftlichere Alternative zum Dieselkraftstoff für die Landwirtschaft dar, da dessen Preis an den Preis für Dieselkraftstoff angelehnt und in den letzten Jahren ständig gestiegen ist. Damit erscheint auf den ersten Blick Rapsöl - roh als Kraftstoff für die Landwirtschaft lukrativ. Die Wirtschaftlichkeit wächst mit der Möglichkeit, das Öl aus eigenen Saaten durch Pressen in regionalen Ölmühlen zu gewinnen.
Zur Klärung der Möglichkeit der Markteinführung des Rapsöls als Kraftstoff in der Land- und Forstwirtschaft finanziert das BMVEL das Demonstrationsvorhaben "Praxiseinsatz von serienmäßigen neuen rapsöltauglichen Traktoren". In diesem Vorhaben sollen die ganzjährige Praxistauglichkeit, die Umweltverträglichkeit und die Dauerfestigkeit der Motoren für Rapsöl unter Beweis gestellt werden. Es wurden prinzipiell keine Technologieforschungen und Motorenentwicklungen vorgesehen. Das Demonstrationsvorhaben wird wissenschaftlich begleitet, um die Erkenntnisse und Erfahrungen aus dem Feldtest der Rapsöltraktoren zu erfassen, auszuwerten, zu systematisieren, zu beurteilen und einer breiten Öffentlichkeit bekannt zu machen.
2. Rahmenbedingungen des Demonstrationsvorhabens
Die Startphase des Demonstrationsvorhabens (April 2001 bis September 2002) fiel in einen Zeitraum, in dem nahezu alle Traktorenhersteller eine neue Motorengeneration in ihre Produktion aufnahmen. Die Ursache bildete der Vollzug der Richtlinie der Europäischen Gemeinschaft 2000/25/EG vom 22.05.2000. Sie bestimmte, dass neue Traktoren ab dem Baujahr 2001 in Abhängigkeit von der Leistungsklasse verschärfte Abgasnormen zu erfüllen haben.
Ein wesentliches Grundprinzip des benannten Demonstrationsvorhabens war, dass nur neuwertige Traktoren aufgenommen wurden, die zum Zeitpunkt des Eintritts in das Programm nicht mehr als 300 Betriebsstunden absolviert hatten. So wurde erreicht, dass nahezu alle teilnehmenden Traktoren der neuen Generation (Baujahr 2001) angehören.
Andererseits führte dies dazu, dass keine der teilnehmenden umrüstenden Einrichtungen ausreichende Kenntnisse über die Funktionsfähigkeit der angepassten Traktoren sowie über die zu erwartende Lebensdauer hatte und auch nicht haben konnte. Technisch üblich ist der Lebensdauernachweis über entsprechende Dauerlaufversuche auf Prüfständen und im Fahrzeug unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen. Verschärfend kommt hinzu, dass die Erkenntnisse, die Anfang der 90er Jahre an Rapsöltraktoren (teilweise noch mit Wirbelkammermotoren) gewonnen wurden, nicht direkt auf moderne Motoren übertragbar sind.
In das Demonstrationsvorhaben wurden 115 Traktoren offiziell aufgenommen, davon sind vier Traktorenbetreiber aus persönlichen Gründen wieder ausgeschieden.
Bild 2.1 gibt die jeweilige Anzahl an Traktoren der verschiedenen Hersteller wieder.
Das Säulendiagramm zeigt, dass Hersteller, wie DEUTZ-FAHR und FENDT am stärksten vertreten sind. Diese beiden Hersteller sowie auch die Firma WELTE setzen Motoren der DEUTZ AG ein, die über so genannte Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsysteme verfügen. Das drittstärkste Segment bilden Traktoren der Firmen CASE und JOHN DEERE. Die Motoren dieser Anbieter sowie auch die der meisten anderen sind mit Verteiler- bzw. Reiheneinspritzpumpen ausgestattet. Ausnahmen bilden CLAAS-CATERPILLAR (Common-Rail), SAME und Lamborghini (Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem).
Bild 2.2 Leistungsverteilung der am Programm teilnehmenden Traktoren
In Bild 2.2 wird die Leistungsverteilung aller 111 Traktoren veranschaulicht. Den Schwerpunkt bilden 78 Traktoren im Leistungsbereich zwischen 75 und 129,9 kW. Somit werden innerhalb des Demonstrationsvorhabens vorrangig die Einsatzspektren und Besonderheiten "mittelgroßer" Landwirtschaften und Maschinenringe repräsentiert, wie sie in erster Linie auf dem Gebiet der alten Bundesländer zu finden sind.
Ingesamt beteiligen sich sieben umrüstende Einrichtungen am Programm von denen allerdings nur die Firmen VWP GbR mbH, Hausmann und TC Bastorf überregional tätig wurden. Der Umrüster TC Bastorf wurde im Jahr 2003 von der FNR wegen unzureichender Umrüstkonzepte aus dem Demonstrationsvorhaben ausgeschlossen.
Die Umrüster haben jeweils die folgende Anzahl an Traktoren umgerüstet:
VWP GbR mbH: 56 Traktoren (Schwerpunkt DEUTZ-FAHR)
Firma Hausmann: 32 Traktoren (Schwerpunkt FENDT)
Stangl Landtechnik/NETec: 2 JOHN-DEERE-Traktoren
TC Bastorf: 5 Traktoren verschiedener Typen
LBAG Lüchow: 5 Traktoren (Schwerpunkt FENDT)
Gruber KG: 10 CASE-Traktoren
Igl-Landtechnik: 1 CASE-Traktor
Diese Aufstellung verdeutlicht, dass sich die einzelnen Umrüster auf bestimmte Traktorentypen spezialisiert haben. So sind einerseits typenspezifische Besonderheiten zumeist ungleichmäßig verteilt und andererseits kommen die verschiedenen Umrüstkonzepte an verschiedenen Traktorentypen zum Einsatz. Dieser Sachverhalt erschwert den direkten Vergleich der Güte der Anpassungsmaßnahmen.
3. Umrüstkonzepte
Bei den Umrüstkonzepten handelt es sich um fünf "1-Tank-Konzepte" (nur Rapsölbetrieb) und zwei "2-Tank-Konzepte" (Einsatz von DK in der Kaltstartphase und beim Abstellen des Fahrzeuges). Die eingesetzten Umrüstkonzepte der beteiligten Umrüster unterscheiden sich deutlich in der Tiefe der Umrüstmaßnahmen. Gemeinsamkeiten aller Umrüstkonzepte sind die Vorwärmung des Rapsöles und die Vergrößerung der Leitungsquerschnitte. Die Umrüstungen wurden durch klassische Applikationen (z.B. Einspritzmenge, Düsengeometrie) an den direkteinspritzenden Motoren durchgeführt. Veränderte Wirkprinzipien (z.B. Wechsel des Brennverfahrens) bei der Einspritzung, Gemischbildung und Verbrennung kommen nicht zum Einsatz. Jedes Umrüstkonzept ist spätestens seit August 2001 mit mindestens einem Traktor im Demonstrationsvorhaben vertreten.
4. Veränderungen des Leistungs- und Emissionsverhaltens
Um Veränderungen im Leistungs- und Emissionsverhalten der Traktoren im Rapsölbetrieb innerhalb des Vorhabens zu dokumentieren, werden alle teilnehmenden Fahrzeuge jährlich wiederkehrenden Prüfstandstests unterzogen. Als Referenz dient grundsätzlich das Leistungs-und Emissionsniveau der einzelnen Traktorenmotoren im Dieselkraftstoffbetrieb unmittelbar vor der Umrüstung. Diese Untersuchungen werden direkt bei den Betreibern der Traktoren vor Ort durchgeführt. Die Messergebnisse dieser Untersuchungen unterliegen somit vielfältigen äußeren Faktoren und erzielen nicht die Genauigkeit vergleichbarer Messungen in speziellen Prüflabors.
Leistungsvermögen im Rapsölbetrieb
Bild 4.1 zeigt das Leistungsvermögen ausgewählter Traktoren des Demonstrationsvorhabens im Rapsölbetrieb bezogen auf den Dieselkraftstoffbetrieb vor der Umrüstung.
Bild 4.1 Traktorenleistung im Rapsölbetrieb bezogen auf den DK-Betrieb vor der Umrüstung
Bei einigen Traktoren kam es unmittelbar nach der Umrüstung zu einem geringfügigen Leistungsverlust. Andere wiesen im Rapsölbetrieb am Anfang etwas mehr Leistung auf. Nur bei sehr wenigen ist eine Verringerung des Leistungsvermögens um 10 Prozent und mehr festgestellt worden. Die Wiederholung der Leistungsmessung nach einjähriger Laufzeit bzw. 800 Betriebsstunden zeigt zumeist keine nachteiligen Veränderungen bezüglich des Leistungsvermögens. Mitunter erfolgten durch die umrüstenden Einrichtungen in der Zwischenzeit gezielte Eingriffe in das Motormanagement, die zu einer Erhöhung der Motorleistung im Rapsölbetrieb führten. Es ist allerdings auch festzustellen, dass trotz fortgesetzter Bemühungen der Umrüster das Leistungsvermögen weniger Traktoren nach wie vor um mehr als 10 Prozent das Dieselniveau unterschreitet. Bezüglich des Leistungsverhaltens der umgerüsteten Traktoren des Demonstrationsvorhabens lässt sich bislang feststellen, dass der Rapsölbetrieb zu keinen nennenswerten Veränderungen des Leistungsvermögens der rapsölbetriebenen Motoren führt.
Emissionsverhalten im Rapsölbetrieb
Um tendenzielle Aussagen zu Veränderungen im Emissionsverhalten zu erhalten, werden innerhalb der Prüfstandstests die Abgaskomponenten Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxide (CO) bei bestimmten Lastpunkten gemessen. Bild 4.2 zeigt die Messergebnisse zur NOx-Emission ausgewählter Traktoren im Volllastpunkt.
Bild 4.2 Stickoxid-Emission im Volllastpunkt der umgerüsteten Traktoren
Hier ist zu erkennen, dass der Rapsölbetrieb in den ersten Betriebsstunden nach der Umrüstung mit einer deutlichen Zunahme der NOx-Emission einherging. Das traf auf fast alle Traktoren nahezu gleichermaßen zu. Erst im weiteren Verlauf des Vorhabens gelang es einigen Umrüstern durch entsprechende Maßnahmen das Emissionsniveau dieser Abgaskomponente bei einigen Traktoren deutlich zu verringern. Die wiederholte Vermessung der Traktoren weist dementsprechend bei diesen Traktoren eine Stickoxidemission in diesem Lastpunkt auf, die der des Dieselbetriebes deutlich näher kommt, diese sogar erreicht. Wie sich das auf die Betriebssicherheit der betroffenen Traktoren auswirkt, ist allerdings noch nicht abzuschätzen, da in diesen Fällen längerfristige Erfahrungen fehlen. 
Bild 4.3 Kohlenmonoxid-Emission im Nulllastpunkt der umgerüsteten Traktoren
Demgegenüber kommt es durch den Rapsölbetrieb zumeist zu keinen signifikanten Veränderungen der CO-Emission. Bild 4.3 zeigt die Messergebnisse zu dieser Abgaskomponente bei den ausgewählten Traktoren im Nulllastpunkt.
5. Betriebsstörungen
Ein störungsfreier Motorenbetrieb war bislang bei 30 Traktoren festzustellen.
Weiterhin wurden 35 Traktoren mit geringfügigen Störungen registriert. Bei 36 Traktoren traten Störungen mit Kosten
2.000 EUR und bei 10 Traktoren schwere Störungen mit Kosten
15.000 EUR auf.
Bei den Störungen, die unmittelbar mit dem Rapsölbetrieb in Verbindung
zu bringen sind, sind vor allem
defekte Verteilereinspritzpumpen und Einspritzdüsen,
Schäden an den Einspritzpumpen Bosch VP44 sowie Stanadyne,
festgehende Auslassventile aufgrund von Ablagerungen (typische Langzeitschäden z.B. nach 2500 h) und
verstärkter Rapsöleintrag in das Motorenschmieröl zu nennen.
Weiterhin traten folgende Probleme im Traktorenbetrieb auf:
Minderleistungen im Rapsölbetrieb,
Filterverstopfungen durch schlechte Rapsölqualität,
Undichtigkeiten an Kraftstoffleitungen und
Russablagerungen in Luft- und Abgaskanälen.
In Bild 5.1 wurden die Anzahl und Art der häufigsten Betriebsstörungen auf die Jahre 2001 bis 2004 aufgeschlüsselt.
Bild 5.1 Betriebsstörungen der 111 Traktoren von 04/2001- 05/2004
Besonders kritisch sind Schäden an den Einspritzpumpen und Brennraumschäden zu sehen, da sie mit hohen Kosten verbunden sind. Bezüglich des Kaltstartverhaltens und der Leistungseinbußen im Rapsölbetrieb zeichnet sich ein positiver Trend ab. Bei der Häufigkeit und Schwere von Störungen/Schadensbildern, die auf unzureichende technologische Tiefe der jeweiligen Umrüstkonzepte deuten, zeichnen sich deutliche Unterschiede zwischen den Umrüstern ab.
6. Rapsöl in Kraftstoffqualität
Eine weitere zentrale Aufgabe der wissenschaftlichen Begleitforschung, die während des Projektes stark an Bedeutung gewonnen hat, besteht in der Kontrolle der Qualität des eingesetzten Rapsölkraftstoffes. Diesbezüglich fordert das Demonstrationsvorhaben, dass ausschließlich Rapsöl einzusetzen ist, das den Spezifikationen des "RK-Qualitätsstandard 05/2000" entspricht. Da es für die Bewertung des Demonstrationsvorhabens von Wichtigkeit ist, mit welcher Qualität das Rapsöl in die Fahrzeugtanks gelangt, wird nach jeder Lieferung der Lagertank beprobt. Die Häufigkeit, mit der es im Zeitraum von April 2001 bis Mai 2004 bei der Analyse dieser Lagertankproben zu Abweichungen vom Standard kam, zeigt Bild 6.1.
Bild 6.1 Abweichungen der Lagertankproben vom "RK-Qualitätsstandard 05/2000"
Ca. 50 Prozent der Proben und mehr erfüllten in mindestens einem Parameter nicht die Anforderungen des "RK-Qualitätsstandards 05/2000". Die häufigsten Grenzwertüberschreitungen traten bei den Parametern Gesamtverschmutzung, Neutralisationszahl und Phosphorgehalt auf. Um die Einhaltung des "RK-Qualitätsstandard 05/2000" als eine wesentliche Grundlage für die Entwicklungsarbeit an Pflanzenölmotoren zu gewährleisten, muss die Lieferqualität verstärkt durch externe Qualitätskontrollen gesichert werden. Die ausgelieferten Rapsöle sollten mit ihren Parametern deutlich unter den Grenzwerten des bisherigen "RK-Qualitätsstandards 05/2000" liegen, um weitere zeitlich bedingte Qualitätsverluste bis zum Fahrzeugtank auffangen zu können. Die Filterung und Reinigung der Rapsöle ist zu verbessern. Ziel sollte es sein, dass Rapsöl mindestens ein Jahr lagerfähig ist, ohne die Grenzwerte des Qualitätsstandards für Rapsöl als Kraftstoff vom Mai 2000 zu verlassen.
Vollraffinate sind nach dem jetzigen Erkenntnisstand gut für den Einsatz in Motoren geeignet, da sie den "RK-Qualitätsstandard 05/2000" einhalten und eine Lagerstabilität von mindestens ein Jahr besitzen.
7. Veränderungen der Schmierölqualität
Das Demonstrationsvorhaben ermöglicht zudem Aufschlüsse darüber, welche Veränderungen der Schmierölqualität sich aus dem Rapsölbetrieb der Motoren ergeben. Dazu erfolgte insbesondere in der Anfangsphase eine intensive Beprobung der Motorenschmieröle aller teilnehmenden Traktoren.
Bei den untersuchten Schmierölproben war bei allen Umrüstkonzepten ein hoher Eintrag von Rapsöl in das Schmieröl festzustellen. Dieser Eintrag bestimmte die Ölwechselintervalle bei den Traktoren (Bild 7.1).
Bild 7.1 Ölwechselintervalle
Auf Grund der unzureichenden thermischen Stabilität und Oxidationsstabilität des Rapsöls können insbesondere bei sehr hohen Temperaturen im Ölsumpf und in Gegenwart katalytisch wirkender Metalle Polymerisationsreaktionen ausgelöst werden, die zu einem plötzlichen Viskositätsanstieg führen. Bei ca. einem Prozent der analysierten Proben wurde in den Jahren 2001 und 2002 eine Eindickung (Polymerisation) des Schmieröles festgestellt. In den folgenden Jahren traten diesbezüglich keine Probleme mehr auf. Zur Sicherung eines störungsfreien Motorenbetriebes ist eine konsequente Schmierölüberwachung unbedingt erforderlich. Der Kraftstoffeintrag in das Motorenschmieröl sollte durch eine Reduzierung des Kaltbetriebes (Leerlauf, Teillast) auf das unbedingt notwendige Maß begrenzt werden. Weiterhin ist zu überprüfen, ob durch konstruktive Maßnahmen der Rapsöleintrag verringert werden kann. Der Einsatz besonders geeigneter Schmierölsorten sollte ebenfalls geprüft werden.
8. Zusammenfassung
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass eine Vielzahl von Traktorentypen und Baureihen am Programm teilnehmen. Von April 2001 bis Oktober 2002 wurden 111 Traktoren innerhalb des Demonstrationsvorhabens auf Rapsölbetrieb umgestellt. Für die überwiegende Zahl der Traktoren war bis Ende Mai 2004 die Hälfte der Erprobungszeit abgeschlossen. Die durchschnittliche Laufzeit betrug hierbei 1360 h. Vorbehaltlich des Ausgangs der Langzeittests, dessen Ergebnisse erst Ende 2005 vorliegen werden, kann bisher festgestellt werden:
Die Umrüstmaßnahmen bewirken, dass die Traktoren in der Regel nach der Umrüstung die gleiche Leistung wie im DK-Betrieb haben. Die Stickoxidemissionen im Volllastbetrieb erhöhen sich geringfügig im Betrieb mit Rapsöl.
Die Kohlenmonoxidemissionen im Teillastbetrieb verändern sich kaum im Rapsölbetrieb. Verschlechterungen über bisherige Projektlaufzeit sind nicht aufgetreten.
Die Ergebnisse des "100-Traktoren-Demonstrationsprojektes" sind vorrangig für Traktoren der Motorengeneration Stufe 1 (Abgasvorschriften COM 1) gültig.
Von den 111 Traktoren wurden bisher:
bei 30 Traktoren keine Störungen,
bei 35 Traktoren geringfügige Störungen,
bei 36 Traktoren Störungen mit Kosten > 2.000 EUR und
bei 10 Traktoren schwere Störungen mit Kosten > 15.000 EUR registriert.
Die Störungsanfälligkeit hängt wesentlich vom Ausgangstraktor und dessen Motor ab. Positive Ergebnisse wurden insbesondere bei Fendt und Deutz-Fahr-Traktoren registriert.
16 von 24 Fendt-Traktoren der Baureihen 4XX und 7XX laufen bisher ohne Störungen und 5 Traktoren mit geringen Schäden (Motoren: BF4M 2013 C und BF6M 2013 C), das bedeutet, über 80 Prozent der Fendt-Traktoren dieser Baureihen laufen bisher problemlos. Bei den Deutz-Fahr-Traktoren der Baureihen Agrotron laufen bisher 10 von 42 ohne Störungen und 19 Traktoren mit geringen Schäden (Motoren: BF4M 1012EC, BF6M 1013EC, BF6M 1013E, BF6M 1013FC). Die Pumpe-Leitung-Düse-Systeme der Deutz-Motoren-Baureihe 1013 und 2013 zeigten sich bisher den Anforderungen des Rapsölbetriebes gewachsen. Wesentliche Erkenntnisse insbesondere zum Verschleißverhalten werden jedoch erst aus der 2. Hälfte der Erprobung erwartet. Ein Eintrag von Rapsöl in das Motorenschmieröl ist bei allen Traktoren festzustellen. Hohe Rapsölgehalte bei hohen Betriebstemperaturen erhöhen das Risiko der Schmieröleindickung. Zu den Ursachen und Mechanismen der Schmierölpolymerisation sind weitere Grundsatzuntersuchungen erforderlich.
In der bisherigen Projektlaufzeit erfüllten häufig mehr als die Hälfte der Lagertankproben nicht die Kraftstoffqualität des "RK-Qualitätsstandard 05/2000". Die Qualität des Rapsölkraftstoffs als eine wesentliche Grundlage für die Betriebssicherheit der umgerüsteten Motoren muss deutlich verbessert werden.
Ingesamt ist festzustellen, dass keines der sechs Umrüstkonzepte (ein Konzept wurde ausgeschlossen) als voll serienreif und praxistauglich für die unterschiedlichen Traktorentypen bezeichnet werden kann. Eine breite Markteinführung des Rapsöles als Kraftstoff ist daher zum jetzigen Zeitpunkt verfrüht. Negativ wirkt sich die Vielzahl von Motorentypen aus, für die Umrüstkonzepte bis zur Serienreife entwickelt werden müssen. Die Konzentration der personellen und finanziellen Mittel auf einen modernen in der Landwirtschaft weit verbreiteten Motor (z. B. BF 6M 2013 von DEUTZ) würde eine schnellere Markteinführung ermöglichen. Wann mit serienreifen also umfassend erprobten Technologien zur Umrüstung der modernsten Traktoren frühestens zu rechnen ist, kann nicht abgeschätzt werden, da sich die Traktorenhersteller als Technologieträger zurzeit nicht intensiv mit dieser Problematik beschäftigen.