Rapsölkraftstoff kann in der Landwirtschaft regional erzeugt werden, gilt als krisensicher und umweltfreundlich. Im Rahmen des internationalen Verbundvorhabens „ResiTrac“ untersucht das Technologie- und Förderzentrum (TFZ) Straubing einen Traktor der Abgasstufe V mit Rapsölkraftstoff beim Pflügen. Wie schneiden Traktor und Kraftstoff im Abgastest unter Realbedingungen ab?
Die Antriebstechnologien landwirtschaftlicher Maschinen stehen vor einem Wendepunkt: Klimawandel und steigende Kosten für fossile Kraftstoffe fordern neue Lösungen. Parallel zur Weiterentwicklung moderner Dieselmotoren ist ein altbekannter Kraftstoff wieder in der Diskussion: Rapsöl. Traktoren, die damit betrieben werden, können einen positiven Beitrag zum Klimaschutz leisten, die Abhängigkeit von importiertem Diesel verringern und die Kreislaufwirtschaft fördern. Doch wie umweltfreundlich ist diese Alternative im Vergleich zum konventionellen Dieselantrieb wirklich? Das Projekt „ResiTrac“ gibt Antworten darauf: Wissenschaftler des TFZ haben einen Rapsöltraktor beim Pflügen getestet und die Abgasemissionen mit mobiler Messtechnik ermittelt.
Was den Pflanzenölbetrieb herausfordert
Rapsölkraftstoff ist dem Diesel grundsätzlich sehr ähnlich. So ist der auf das Volumen bezogene Heizwert mit 34 MJ/l vergleichbar mit dem von Diesel (36 MJ/l). Allerdings unterscheidet sich Rapsöl deutlich im Fließverhalten. Die Viskosität, also der Wert, wie zähflüssig der Kraftstoff ist, liegt deutlich höher und ist stark von der Temperatur abhängig. Sie liegt bei 20 °C bei 75 mm2/s und ist somit etwa 15- mal so hoch wie die von Diesel, die bei etwa 5 mm2/s liegt. Das erfordert technische Veränderungen am Motor- und Kraftstoffsystem.
Im Rahmen des Projektes rüstete der Hersteller John Deere den Testtraktor 6R 215 auf reinen Pflanzenölbetrieb um. Dazu wurde die Motorsteuerung gezielt auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Rapsöl abgestimmt. Dabei passten die Ingenieure die Einspritzmengen des Kraftstoffs so an, dass der Motor eine mit Dieselbetrieb vergleichbare Leistung erbringt. Aufgrund der höheren Viskosität von Rapsöl wurden eine leistungsfähigere Niederdruckpumpe sowie Leitungen mit größerem Querschnitt im Niederdruckkraftstoffsystem verbaut. Außerdem kommt im Traktor eine serienmäßig verfügbare elektrische Motorvorwärmung zum Einsatz, die den Kühlwasserkreislauf und damit den ganzen Motorblock vorheizt. Das erleichtert den Kaltstart bei niedrigen Temperaturen.
Der Aufbau des Praxistests
Der Testtraktor zählt mit seinen 215 PS zur oberen Leistungsklasse, der schwere Bodenarbeiten wie beispielsweise Pflügen verrichten kann. Für die Emissionsmessung in diesem leistungsintensiven Bereich hat ihn das TFZ mit einem sogenannten PEMS (Portables Emissions-Messsystem) ausgestattet. Während Messungen auf dem Prüfstand unter standardisierten und idealisierten Bedingungen stattfinden, erfasst das PEMS die Emissionen direkt im realen Betrieb. Es trägt deshalb dazu bei, die tatsächlichen Umweltwirkungen von Maschinen im Feldbetrieb transparent zu machen. PEMS und Traktor kamen beim Pflügen auf einem Straubinger Praxisbetrieb zum Einsatz (siehe Bild oben).
Abgasmessung: Funktion? Was wird gemessen?
Bei der mobilen Abgasmessung wird ein Teil des Abgasstroms über spezielle Leitungen zu den Analysegeräten geführt. Dort werden die Konzentrationen von CO, CO2, HC, NOx sowie die Partikelanzahl bestimmt. Wie im folgenden Bild zu sehen, sind die Analysatoren zum Schutz vor Staub und Wasser in einer Metallbox untergebracht. Ein Generator sorgt dafür, dass die Geräte unabhängig vom Stromnetz des Traktors mit elektrischem Strom versorgt werden, ohne die Messung zu verfälschen.
Seit Einführung der Abgasstufe V im Jahr 2019 ist die Erfassung der Emissionen im tatsächlichen Fahrbetrieb mittels PEMS erforderlich. Konkrete Abgasgrenzwerte hierfür wurden vorerst noch nicht festgelegt. Die Anforderungen an die Überwachung der Emissionen im Realbetrieb geben die Verordnung (EU) 2016/1628 und die delegierte Verordnung (EU) 2017/655 vor.
Gemäß diesen Verordnungen werden bei der Auswertung die Messdaten sekündlich beginnenden Zeitfenstern zugeordnet, die jeweils die gleiche mittlere Arbeit wie im genormten Prüfstandszyklus NRTC abbilden. Die Messung startet, wenn eine Kühlmitteltemperatur von 70 °C erreicht ist oder spätestens 20 min nach Motorstart. Für jedes der Zeitfenster wird die durchschnittliche Emissionskonzentration ermittelt. Die Prüfdauer bei der Realemissionsmessung muss das Fünf- bis Siebenfache der Referenzarbeit des NRTC-Tests umfassen. Aus diesen Anforderungen ergeben sich dann je nach Schwere der Arbeit beziehungsweise Lastanforderung an den Motor Messzeiten für eine Einzelmessung von etwa ein bis zwei Stunden.
Die nachfolgend dargestellten Ergebnisse beschränken sich auf die Stickoxidemissionen, da sie bei modernen Dieselmotoren die wichtigsten Abgasparameter sind. Der gültige NOx-Grenzwert für die Typprüfung am Prüfstand beträgt bei diesem Traktor 0,4 g/kWh. Da für Traktoren im Realbetrieb noch keine Grenzwerte festgelegt sind, kann für die Einordnung der Ergebnisse die Gesetzgebung für Lkw herangezogen werden. Bei Lkw darf der Prüfstandsgrenzwert bei Realemissionsmessungen um nicht mehr als das 1,5-Fache (hier: 0,6 g/ kWh) überschritten werden.
Messergebnisse und Analyse
Die Ergebnisse der Emissionsmessung im Realbetrieb sind in der Grafik dargestellt. Im obersten Teil der Grafik wird die Motordrehzahl des Traktors über die Zeit visualisiert. Deutlich erkennbar ist, dass der Traktor zu Beginn des Arbeitstages eine Phase bei Standgas beziehungsweise schnell wechselnden Drehzahlen durchläuft. Diese Phase ist charakteristisch für den Start des Betriebs (I), in der der Motor während des Anbaus des Pfluges (II) und anderer Vorbereitungen warm läuft und die Fahrt zum Feld (III) erfolgt. Nach dieser initialen Phase folgt eine Reihe von regelmäßig wiederkehrenden Drehzahlmustern, in denen der Traktor mit konstant höheren Drehzahlen (1.600 bis 1.700 min-1) arbeitet. Diese treten auf, wenn der Schlepper am Pflügen ist. Die Bereiche mit niedrigeren Drehzahlen dazwischen (zirka 1.000 min-1) zeigen sich bei den Wendemanövern (IV).
Der darunterliegende Teil der Grafik zeigt den Verlauf der Motorlast real (türkis) und in einer geglätteten Form (blau), die durch die sogenannte Moving-Average-Window-Methode (MAW = Fenster mit gleitendem Mittelwert) berechnet wurde. Auch hier sind die charakteristischen Schwankungen in Form von markanten Plateaus und Tälern zu erkennen. Diese Schwankungen (20 bis 85 %) spiegeln die unterschiedlichen Arbeitslasten wider, die der Motor während der verschiedenen Phasen des Pflügens zeigt.
Im mittleren Teil der Grafik wird die Abgastemperatur über den gesamten Messzeitraum dargestellt. Zu Beginn der Messung ist die Temperatur niedrig (unter 100 °C) und steigt dann kontinuierlich an, während der Traktor seine Arbeit verrichtet. Nach zirka 600 s erreicht der Motor Betriebstemperatur und somit auch die Abgastemperatur ein konstantes Niveau (zirka 300 °C).
Der von oben vierte Grafikteil zeigt die Stickoxidemissionen (NOx) in ppm (parts per million) über den gesamten Verlauf der Messung. Hier wird ein Zusammenhang zwischen der Motorlast und den emittierten Stickoxiden deutlich. Die anfänglich hohen Stickoxidemissionen sinken stark ab, wenn die Abgastemperatur zirka 250 °C überschreitet. Das lässt erkennen, dass das SCR-System damit beginnt, NOx mithilfe der Harnstofflösung AdBlue chemisch zu reduzieren. Dieser Zeitpunkt fällt mit einer Kühlmitteltemperatur von zirka 70 °C zusammen, ab der die Messwerte als gültig in die Auswertung einfließen. Im weiteren Verlauf fällt auf, dass die NOx-Werte kurzzeitig ansteigen, wenn die Last jeweils zu Beginn der Arbeit des Traktors in der Pflugfurche zunimmt. Umgekehrt sinken die NOx-Emissionen geringfügig, wenn die Motorlast bei den Wendemanövern absinkt. Der NOx-Anstieg lässt sich damit erklären, dass durch die kurzfristige Lastanforderung mehr Kraftstoff eingespritzt werden muss. Die entstehenden größeren Mengen an Stickoxiden können aber auf die Schnelle nicht vollständig reduziert werden. Dies ist bedingt durch die Trägheit des SCR-Systems bei der Nachregulierung.
Im untersten Teil der Grafik werden die NOx-Konzentrationen dargestellt, ausgewertet nach der Moving-Average-Window-Methode. Analog zur Stickoxidkonzentration, gemessen in ppm, fallen auch bei der auf die geleistete Arbeit bezogenen NOx-Emission die Werte nach Erreichen der Betriebstemperatur langsam auf ein gleichbleibendes Niveau ab. Der oben beschriebene, aus der Gesetzgebung für Lkw abgeleitete Grenzwert von 0,6 g/kWh konnte bei den durchgeführten Messungen eingehalten werden.
Projektinformationen
Titel: Resilient Food Production with Green Tractors, kurz: ResiTrac
Projektpartner: John Deere (Koordinator), Technologie- und Förderzentrum (TFZ) Straubing, Fachhochschule Bern, Schweiz, Versuchszentrum Laimburg, Südtirol/Italien
Projektlaufzeit: Januar 2023 bis Dezember 2025
Finanzierung: EIT Food
Kofinanzierung: Europäische Union
Weitere Infos: https://www.tfz.bayern.de/projekt-resitrac
Fazit
Die aktuelle Untersuchung hat gezeigt, dass die Stickoxidemissionen des getesteten Pflanzenöltraktors gering sind. Wird zur Orientierung die Abgasgesetzgebung für Lkw herangezogen, würde der zulässige NOx-Grenzwert von dem untersuchten Traktor im Rapsölbetrieb eingehalten werden.
Die mobile Abgasmessung mit PEMS eröffnet eine zusätzliche Dimension bei der Überwachung der Emissionen von Traktoren. Diese Messmethode ermöglicht es, das Abgasverhalten über die Lebensdauer unter realen Bedingungen wiederkehrend zu erfassen und Betriebsphasen höherer Abgaskonzentrationen zu identifizieren. Dies kommt der Weiterentwicklung von Traktoren mit ihrer Abgasnachbehandlungstechnik zugute, insbesondere auch bei der Umstellung auf Erneuerbare Kraftstoffe.




