Pflanzenoeltaugliche Motoren/Umruestung

In den 1990er Jahren wurde intensiv an der Angleichung besonders der Rapsoelspezifikationen an jene des Dieseloels gearbeitet. Ein gangbarer Weg ist die Umesterung des fuer heutige Motoren zu dickfluessigen Rapsoels. Diese Methode wird heute weltweit in grossem Stile angewendet. So bieten z.B. in Deutschland weit ueber tausend Tankstellen Rapsmethylester (RME) an. Die FAT begann vor nunmehr zehn Jahren mit Arbeiten, diese Anpassung der Rapsoelspezifikationen einfacher als durch die ziemlich aufwaendige Umesterung zu erreichen. Die Grundidee war, das zu „dicke“ Rapsoel mit einer zu „duennen“ Komponente zu mischen, sodass die gewuenschten Parameter durch das Mischungsverhaeltnis eingestellt werden koennten. In einem gemeinsamen Projekt mit dem Betriebsstofflabor der Eidgenoessischen Material-pruefungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in Duebendorf gelang es, eine solche Mischung aus je zur Haelfte Rapsoel und Kerosin (Flugpetrol) herzustellen, die weitgehend die Erfordernisse von Dieseloel erfuellte. Die Ergebnisse dieses Projektes sind in FAT-Bericht Nr. 502/1997 zusammengefasst. Ziel dieses Versuches ist die Langzeiterprobung eines Rapsoel-Kerosin-Gemisches mit einem handelsueblichen, unveraenderten Traktor unter Praxisbedingungen.

Methoden

Am Traktor erfolgten waehrend des ganzen Einsatzes bewusst keinerlei Veraenderungen.
Die Art und der Umfang des Einsatzes oblagen dem Versuchsbetriebsleiter der FAT. Waehrend der Versuchsdauer stand der Traktor – auch im Winter – meistens im Freien. Er wurde fuer alle anfallenden Arbeiten verwendet, betrieb jedoch vielfach einen Futtermischwagen (Abb. 1).
Erfasst wurden Betriebsstunden, Dieseloelverbrauch und besondere Vorkommnisse wie oelwechsel, Pruefstandsmessungen, Reparaturen, Stoerungen, Motorwartungen usw.
Technische Daten des Motors des Versuchstraktors Lindner 1600 A Motor: Perkins Typ T 3.152, 3 Zylinder, wassergekuehlt, Bohrung 91,44 mm, Hub 127 mm, Hubraum 2502 cm3, Nennleistung 41 kW, Nenndrehzahl 2200, obere Leerlaufdrehzahl 2510, CAV Verteilereinspritzpumpe DPA.

Treibstoffherstellung,

Lagerung und Handling Die Herstellung der Mischung erfolgte in 200-Liter-Faessern, gefuellt mit Rapsoel und Kerosin im Verhaeltnis 1:1 und unter Zugabe von 0,2 Liter Additiv. Es ist wichtig, zu bemerken, dass zuerst das Rapsoel bis zur Haelfte eingefuellt und dann direkt von der Tankstelle mit Kerosin aufgefuellt wurde. Dadurch erreicht man groessere Sicherheit gegen Brandgefahr beim Transport, da auf diese Weise der Flammpunkt nie unter 55 °C sinkt.
Die Lagerung sowohl des Rapsoels als auch des Gemisches erfolgte waehrend der ganzen Versuchsdauer in 200-Liter- Faessern. Auch nach mehrjaehriger Lagerung des Gemisches traten keine Entmischungserscheinungen auf. Kerosin loest sich – aehnlich wie Alkohol im Wasser – im Rapsoel auf.

Spezifischer Verbrauch

Der spezifische Verbrauch (g/kWh) ist ein Mass fuer den Wirkungsgrad des Traktors.
Gramm pro Stunde (g/h) beschreibt die mit dem Dieseloel zugefuehrte Leistung
und kW bezeichnet die an der Zapfwelle abgegebene Leistung. Ein Beispiel: 270 g/kWh bedeuten, dass der Traktor fuer ein Kilowatt Leistung an der Zapfwelle 270 g/h Dieseloel verbraucht. Anders ausgedrueckt erzeugt ein Kilogramm pro Stunde zugefuehrten Dieseloels 3,7 kW an der Zapfwelle. Je groesser der spezifische Verbrauch, desto kleiner ist der Wirkungsgrad.
In unserem Falle zeigen sich zwei verschiedene Kurvenpaare (Abb. 5), die jeweils im Bereich von 1500 bis 1700 Umdrehungen pro Minute paarweise eng beieinander liegen.
Der Grund fuer dieses Verhalten koennte in der Reparatur der CAV-Einspritzpumpe nach 982 Laufstunden zu suchen sein.
Bei 1700 U/min ist der spezifische Verbrauch bei Versuchsbeginn und nach der Reparatur der Einspritzpumpe nahezu identisch und nimmt dann mit zunehmender Betriebsdauer nahezu gleichmaessig zu (Abb. 6). Mit anderen Worten:
Mit zunehmender Betriebsdauer sinkt der Wirkungsgrad des Traktors, was mit Veraenderungen im Einspritzsystem und mit zunehmender Verkokung der Einspritzduesen und damit schlechterer Verbrennung zu tun haben muss. Durch einen zeitweiligen Betrieb mit Dieseloel bei hoher Motorbelastung kann ein Selbstreinigungseffekt erzielt werden. Auf diese Moeglichkeit wurde in diesem Versuch bewusst verzichtet.

Volllast-Rauch

Der Vergleich der Rauchzahlen nach BOSCH ergibt ein uneinheitliches Bild und laesst keine eindeutige Interpretation zu.

Emissionen

Waehrend der Versuchsdauer wurden drei Abgasmessungen nach ISO 8178-4 C1 durchgefuehrt. Auch hier zeigt sich eine Verschlechterung der Abgaswerte NOx und CO mit zunehmender Betriebsdauer.
Dies duerfte ebenfalls auf eine zunehmende Verkokung der Einspritzduesen zurueckzufuehren sein. Die Unterschiede der NOx- und CO-Werte der Messungen vom 18.04.00 und vom 28.06.01 duerften von einer unterschiedlichen Einstellung der Einspritzpumpe herruehren (Abb. 8). Die Einspritzpumpe wurde am 22.02.2000 repariert.
Zum Vergleich sind noch die Grenzwerte nach den EU-Vorschriften 97/68/EC bzw. 2000/25/EC Stage 1 und Stage 2 dargestellt.
Dieser zugegeben alte Traktor ist sehr weit davon entfernt.

Vorkommnisse waehrend des Praxiseinsatzes

Das additivierte Rapsoel-Kerosin-Gemisch funktioniert im Praxiseinsatz zufriedenstellend.
Die bis heute betriebenen Motoren (siehe auch FAT-Bericht Nr. 502/1997) erlitten keine Schaeden, die eindeutig auf den Mischtreibstoff zurueckzufuehren sind.
Beim verwendeten Traktor Lindner 1600 A musste nach 2020 Betriebsstunden, davon 983 Stunden mit Rapsoelgemisch, die Einspritzpumpe revidiert werden. Es zeigten sich starke Verschleisserscheinungen an der Laufbahnoberflaeche des Hydrorotors und des zugehoerigen Nockenringes. Kosten Fr. 1600.–. (ca. 1050.- €)Dieser Schaden konnte jedoch nicht eindeutig auf die Verwendung des Rapsoel-gemisches zurueckgefuehrt werden und ist auch nicht wieder aufgetreten.

Einer Besonderheit beim Schmieroel musste Beachtung geschenkt werden:
Das Schmieroelniveau stieg waehrend des Betriebes kontinuierlich an. Das erklaert sich damit, dass der Rapsoelanteil von ins Schmieroel gelangendem Treibstoff infolge des hohen Siedepunktes von mehr als 350 °C nicht verdampfte. Der hohe Rapsoelanteil stoerte jedoch nicht, da Rapsoel eine gute Schmierfaehigkeit besitzt und die Viskositaet bei Betriebstemperatur nur geringfuegig erhoeht wird (siehe FATBericht 502/1997, Seite 11). Das Problem wurde so geloest, dass beim oelwechsel nur bis zum Minimalstand aufgefuellt und jeweils beim Erreichen des Maximalstandes ein erneuter oelwechsel vorgenommen wurde.

Treibstoffsteuer

Die Wirtschaftlichkeit von Treibstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen wird wesentlich von der Hoehe der Besteuerung bestimmt. Zurzeit sind in der Schweiz solche Treibstoffe bis zu einer beschraenkten Menge steuerfrei, wenn sie aus Pilot- und Demonstrationsanlagen stammen. Unsicherheit besteht jedoch bei der Besteuerung von Mischungen.
Logischerweise duerfte nur der mineralischen Anteil besteuert werde. Bis heute jedoch ist diese Frage in der Schweiz nicht eindeutig geklaert.
Die teilweise Rueckerstattung der Mineraloelsteuer an die Landwirtschaft, die bei Verwendung von steuerbefreiten, erneuerbaren Treibstoffen nicht gewaehrt wird, verhindert die Verwendung von Treibstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen in der Landwirtschaft selbst.
So entsteht die eigentuemliche Situation, das sich gerade der Landwirt umweltschonendes Dieseloel nicht leisten kann, weil er fuer dieses keine Mineraloelsteuer- Rueckerstattung erhaelt und es somit fuer ihn zu teuer ist.

Garantiegewaehrung

Weitere Anstrengungen sind noch auf den Gebieten der Normung, der praktischen und rationellen Treibstoffherstellung in groesseren Mengen und der Qualitaetssicherung noetig. Klare und rueckverfolgbare Verhaeltnisse sind die Voraussetzung fuer einen stoerungsfreien Betrieb und in der Folge fuer die Freigabe durch die Motorenhersteller.
Der Garantieanspruch gegenueber dem Hersteller bei einem Motorschaden erlischt in der Regel, wenn ein nicht konformer Treibstoff verwendet wird.

Schlussfolgerungen

Die Verwendung des additivierten Rapsoel–Kerosin–Gemisches als Dieseltreibstoff ist technisch machbar. Auch nach fast fuenfjaehrigem, ununterbrochenem Einsatz in einem Traktor auf dem Versuchsbetrieb der FAT und unter teilweise unguenstigen Bedingungen haben sich keine Nachteile gegenueber reinem mineralischem Dieseloel gezeigt. Ein Vorteil dieser Mischung sind die sehr guten Kaltstarteigenschaften.

Weitere praktische Erfahrungen sind mit Bezug auf zukuenftige Freigaben durch Motorenhersteller noetig. Die Frage der Besteuerung dieser Treibstoffmischung ist noch nicht geklaert, und die Rahmenbedingungen fuer einen grossflaechigen Einsatz fehlen noch.

Ein in diesem Bericht nicht behandelter positiver Aspekt ist die CO2)-Reduktion durch die Verwendung des nachwachsenden Rohstoffes Rapsoel. Im Gegensatz zu Rapsmetyhlester (RME, FAT-Bericht Nr. 514/1998) kann die Mischung mit einem Minimum an Investitionskosten kleingewerblich hergestellt werden. Nebenprodukte oder schaedliche Umweltbelastungen gibt es bei der Herstellung nicht.

Allgemein zu beachtende Punkte bei der Verwendung von Rapsoel RME und Mischungen mit Kerosin

Die nachfolgend aufgefuehrten Punkte sind bei der Verwendung von Rapsoeltreibstoffen besonders zu beachten und koennten bei Nichtbeachtung zu Problemen bei der Anwendung fuehren:

Korrekte Einhaltung der bestehenden Dieseloelnormen ist zwingend noetig.
Fuer die mechanische Betriebssicherheit besonders wichtig sind:
- Schmierfaehigkeit
- Partikelgehalt
- Wassergehalt
Reines Kerosin beeintraechtigt die Schmierfaehigkeit, Rapsoel kompensiert diesen Effekt.
RME und Rapsoel greifen Elastomere und manche Kunststoffe an, deshalb muessen Dichtungen und Schlaeuche anfaenglich haeufig ueberprueft werden.
Freie Fett-, Essig- und Ameisensaeuren sowie Methanol haben Korrosion zur Folge. Glycerin und Glyceride greifen Nichteisenmetalle an und koennen zu Ablagerungen und Verstopfungen des Treibstofffilters fuehren. Dies wird bei Einhaltung der Normwerte vermieden.
RME ziehen Wasser aus der Luft an und es kann sich durch Abkuehlung leicht freies Wasser bilden, was zu Korrosion und Materialausbruechen auf Laufbahn-Oberflaechen von Kugellagern und Spritzverstellern fuehren kann. Es ist deshalb eine moeglichst trockene Lagerung bei gleichbleibender Temperatur anzustreben.
Freies Wasser foerdert die Bildung von Mikroorganismen. Durch die Zellteilung gebildete Eiweissstoffe ergeben eine truebe, schleimige Emulsion, was rasch zum Verstopfen des Treibstofffilters und kleiner Leitungen fuehrt. Saeurehaltige Stoffwechselprodukte fuehren zu.

Qualitaetssicherung

Zur Rueckverfolgung eventuell auf tretender Probleme ist eine durchgaengige Qualitaetssicherung unbedingt erforderlich. Um diese zu gewaehrleisten, sollte von jeder Charge (Rapsoel, Kerosin und fertiges Gemisch) je zweimal 0,5 Liter Proben gezogen werden.
Alle Lieferungen und Arbeitsschritte der Treibstoffherstellung werden mit Angabe von Datum und ausfuehrender Person in einem Journal festgehalten.
Die Proben muessen bis zum vollstaendigen und stoerungsfreien Verbrauch der Treibstoffcharge aufbewahrt werden.

Herausgeber:
Eidgenoessische Forschungsanstalt fuer Agrarwirtschaft und Landtechnik (FAT)
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Fax +41 (0)52 368 31 31
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