Rudolf Diesel sagte in den 1880er Jahren: „Der Automobilmotor wird kommen, und dann werde ich mein Lebenswerk als vollendet betrachten.“ Er war sich der Tragweite seiner Erfindung durchaus bewusst. Doch wie auch immer man Diesel’s Lebenswerk beurteilen mag, der Dieselmotor selbst war bei weitem nicht vollständig. Zum einen hatten seine ersten Motoren nur einen Wirkungsgrad von etwa 26 %. Aber das ist lange, lange her.
Das Effizienzpotenzial des Dieselmotors ist 2015, über ein Jahrhundert später, ein heißes Thema. Das liegt daran, dass die US-Umweltbehörde EPA und die NHTSA im Rahmen des Vorschlags für die „Phase 2“ für schwere Nutzfahrzeuge die mögliche Strenge der neuen Effizienzvorschriften für Dieselmotoren prüfen. Die Bundesbehörden sind befugt, die Motoren von schweren Nutzfahrzeugen so zu regulieren, dass die maximal mögliche Verbesserung erreicht wird, und technologieoffene Normen zu erlassen, wobei die Kosten für die Einhaltung der Vorschriften, die technologische Vorlaufzeit und andere Erwägungen angemessen zu berücksichtigen sind.
Moderne Dieselmotoren mit Selbstzündung dominieren die kommerzielle Lkw-Industrie mit effizienten Motoren, die etwa 43%-44% der Kraftstoffenergie in Motorarbeit umwandeln, basierend auf 2013-2014 zertifizierten Motoren. Um die bestehenden Effizienz- und Kohlenstoffvorschriften zu erfüllen, werden die Zugmaschinenmotoren ihren Kraftstoffverbrauch und ihre CO2-Emissionen von 2010 bis 2017 voraussichtlich um 6 % bzw. etwa 1 % pro Jahr senken. Die aktuelle Frage ist, wie viel effizienter Dieselmotoren in der nächsten Phase der Vorschriften von 2017 bis zum Zeitraum 2024-2027 werden.
In dem EPA/NHTSA-Vorschlag vom Juni würden Dieselmotoren ihren Kraftstoffverbrauch und ihre CO2-Emissionen pro Arbeitseinheit von 2017 bis 2027 um 4,2 % senken. Die endgültigen Standards würden wahrscheinlich drei weitere Jahre in Kraft bleiben, so dass die Standards bis 2029 oder 2030 gelten würden. Dies würde bedeuten, dass die CO2-Emissionen von Motoren bis 2030 um durchschnittlich 0,3 % bis 0,4 % pro Jahr sinken würden. Wie sieht das im Vergleich zu anderen Zahlen aus?
- Der größte Hersteller von Traktormotoren, Cummins, gibt an, dass die Motoren innerhalb des Zeitrahmens von 2020 bis 2030 eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs um 9-15 % gegenüber 2017 erreichen können.
- Eine Motorenanalyse in Zusammenarbeit mit Forschern der West Virginia University (WVU) zeigt, dass die Dieselmotoren von Sattelzugmaschinen im Zeitrahmen von 2020 und darüber hinaus um mehr als 10 % gegenüber dem Basisjahr 2017 verbessert werden können.
- Arbeiten des Southwest Research Institute für die NHTSA zeigen, dass der Kraftstoffverbrauch von Diesel-Sattelzugmaschinen innerhalb des Zeitrahmens von Phase 2 um 4 bis 7 % – und mit Abwärmerückgewinnung um bis zu 8 bis 10 % – gegenüber einer Ausgangsbasis von 2019 gesenkt werden kann.
- Teams unter der Leitung von Cummins, Daimler, Navistar und Volvo haben Motorverbesserungen von 12 bis 17 % gegenüber einer Ausgangsbasis von 2010 nachgewiesen. Diese U.S. DOE SuperTruck-Teams erreichen damit einen thermischen Spitzenwirkungsgrad von 50-51%.
- Das Folgeziel des SuperTruck-Programms würde mit einem thermischen Spitzenwirkungsgrad von 55% noch weiter gehen.
Man muss sich fragen, was Rudolf Diesel wohl gedacht hätte, wenn er gewusst hätte, dass die neuesten Dieselinnovationen den Wirkungsgrad seiner ersten Dieselkonstruktionen verdoppeln könnten.
Die nachstehende Abbildung veranschaulicht die bestehenden Normen für 2014-2018, die vorgeschlagenen Normen für 2017-2027 und das Technologiepotenzial durch den verstärkten Einsatz von Technologien auf der Grundlage der oben erwähnten WVU-Studie in Gramm CO2 pro Brems-PS-Stunde. Das in der Abbildung dargestellte Technologiepotenzial deutet darauf hin, dass Traktormotoren durch inkrementelle Effizienztechnologien eine Verbesserung von bis zu 7 % erreichen könnten, wenn das „2020+“-Motorenpaket der WVU-Studie zum Einsatz käme (d. h. durch Verbesserungen in den Bereichen Reibungsreduzierung, Parasitik, Turboaufladung, Nachbehandlung, Verbrennungsoptimierung und fortschrittliche Steuerung). Dieses Potenzial aus diesen zusätzlichen Technologien ist etwa doppelt so hoch wie das, was die Behörden in der vorgeschlagenen Regelung für 2027 angesetzt haben.
Zudem berücksichtigen wir in der Analyse in der Abbildung eine stärkere Verbreitung fortschrittlicher Motortechnologien. Bei einer höheren Marktdurchdringung der zusätzlichen Technologien für 2020+ und einer 15%igen Marktdurchdringung des organischen Rankine-Zyklus mit Wärmerückgewinnung (WHR) (wie von den Behörden angenommen) ist eine flottenweite CO2-Verbesserung von bis zu 10% im Jahr 2027 machbar. Bei einer stärkeren Verbreitung von WHR- und U.S. DOE SuperTruck-Technologien ist das Technologiepotenzial noch höher. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass wesentlich niedrigere CO2-Emissionen als die vorgeschlagenen EPA-NHTSA-Normen im Zeitrahmen von 2025 technisch erreichbar sind. Das endgültige flottenweite Technologiepotenzial könnte die Effizienz der 2014-2016 durchgeführten US DOE SuperTruck-Demonstrationen im Zeitrahmen von 2030 erreichen.
US-Regulierungsstandards der Phase 1 (2014-2017) und der vorgeschlagenen Phase 2 (2018-2030), Technologiepotenzial, Technologiepotenzial mit erhöhter Abwärmenutzung (WHR) und U.
Die anstehende Entscheidung der USA über die Motorenstandards könnte die einzige wirkliche Maßnahme sein, um die Effizienz von Dieselmotoren in den nächsten 10-15 Jahren wesentlich zu verbessern. Aus diesem Grund spricht vieles dafür, dass die USA die technologische Entwicklung so weit vorantreiben sollten, wie es auf der Grundlage der neuen Effizienztechnologien möglich ist. Und die Entscheidung hat weitreichende Auswirkungen auf die weltweite Innovation, da dieselben Unternehmen überall die gleichen Motoren verkaufen. Auch Indien erwägt Effizienzstandards für seine schweren Nutzfahrzeuge. Dieselben hocheffizienten Motoren könnten auch die dieselbetriebenen Lkw in China, Europa, Mexiko und anderswo antreiben, wenn diese Regionen mit ähnlichen, zunehmend strengeren Vorschriften nachziehen.