Intelligenter SCR für Dieselmotoren (Intelligenter SCR für Dieselmotoren zur Reduktion von Abgasemissionen)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 624.03.20

Schlüsselwörter (Deutsch)

Diesel, Motoren, Abgasemissionen, SCR, Katalysator, Abgasnachbehandlung, NOx-Emissionen, CO2-Emissionen, Ammoniakemissionen, NH3

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Beim Betrieb von Dieselmotoren werden bei der Abgasnachbehandlung SCR-Katalysatoren verwendet. Im SCR-Katalysator wird eine Harnstofflösung in das heisse Abgas dosiert. Diese Harnstofflösung zersetzt sich zu Ammoniak und bindet sich anschliessend an der Oberfläche des Katalysators. Dort reagiert das Ammoniak dann mit den im Abgas enthaltenen NOx. Die Speicherkapazität ist begrenzt und stark temperaturabhängig. Bei Überschuss wird das ungenutzte Ammoniak in die Atmosphäre freigesetzt (Ammoniakschlupf). Um diesen Ammoniak-schlupf zu vermeiden ist die Harnstoffdosierung oft in einen Regelkreis integriert. In typischen Anwendungen von Grossmotoren (Marine, stationäre Energieerzeugung) können aufgrund der Verschmutzung der Sensoren im Abgasnachbehandlungssystem durch das Abgas keine kontinuierlichen Messungen der NOx-Konzentration gemacht werden. Deshalb wird auf eine Vorsteuerung mit tabellierten Emissionswerten für die Harnstoffdosierung zurückgegriffen, welche wenig zuverlässig ist. Moderne Motoren mit elektronischer Steuerung bieten prinzipiell die Möglichkeit, die NOx-Emission von einem Zyklus zum anderen zu ändern (z.B. durch eine Änderung des Einspritzzeitpunkts). Dies bietet die Möglichkeit einer neuartigen aktiven SCR-basierten Motorsteuerung, wobei die NOx-Emissionen vom Motor in einer Konzentration emittiert werden, welche basierend auf der tatsächlichen Verfügbarkeit des Ammoniaks im SCR-Katalysator auch umgewandelt werden können. Dieses Konzept hat den Vorteil, dass die Abgasreinigungsanlage stets optimal ausgelastet ist. Dies erlaubt wiederum einen effizienteren Motorbetrieb in allen Punkten, wo die Abgasreinigung bei konventionellem Betrieb überdimensioniert ist.

In einer ersten Phase, welche durch das Bundesamt für Energie BFE unterstützt wurde, wurde ein PVS-Prototyp (Physically-assisted Virtual Sensor) erstellt und in einem transienten Motorbetrieb getestet. Die ersten Resultate aus der ersten Phase sind vielversprechend.

Das Ziel dieses Projektes ist nun die Anwendung und Weiterentwicklung einer aktiven Motorsteuerung, welche vom Status des SCR-Katalysators abhängig ist. Der Status des Katalysators bezieht sich auf die NOx-Konversionsrate (Umsatzrate), welche auf Grund der Temperatur und des gespeicherten Ammoniaks zu Verfügung steht. Zudem kann mit dieser Technologie aufgezeigt werden, dass eine quantitative Aussage des Einsparpotentials bezüglich Brennstoffverbrauch, respektive CO2-Emissionen, Ammoniakemissionen, NOx-Emissionen sowie Katalysatorvolumen gemacht werden kann.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 30.09.2019 an der Sitzung der Koko UT vom 21.11.2019 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1.    Die Vorbereitungen sowie die Anpassungen der Software für den PVS und den SCR für die Messkampagnen am PSI sind abgeschlossen.

2.    Die Messkampagne 1 mit dem Referenzkatalysator (Katalysatortyp 1: 100 CPSI, 0.54 m3, Vollextrudat mit 3 wt% V2O5) zur Reduktion der NOx-Emissionen um 30% mit den Randbedingungen: Umsatzrate von 90% auf 93% erhöht, gleichbleibender Ammoniakschlupf, gleichbleibenden Brennstoffverbrauch ist durchgeführt und ausgewertet. Meilenstein 1.

3.    Die Messkampagne 2 mit dem Katalysatortyp 1 zur Reduktion des Brennstoffverbrauchs um 1-2% mit den Randbedingungen: Umsatzrate von 90% auf 93% erhöht, gleichbleibender Ammoniakschlupf, gleichbleibende NOx-Emissionen ist durchgeführt und ausgewertet. Meilenstein 2.

4.    Die Messkampagne 3 mit dem Katalysator für höhere Temperaturen (bis 475°C) (Katalysatortyp 2: 100 CPSI, 0.54 m3, Vollextrudat mit 2 wt% V2O5 (reduzierte Katalysatoraktivität im Vergleich zu Referenzkatalysator)) mit den Randbedingungen: gleicher Verbrauch, NOx- und Ammoniakemissionen wie bei Referenzmessung bei tieferer Katalysatoraktivität, ist nach einem Softwareupdate für den SCR durchgeführt und ausgewertet.

5.    Die Messkampagne 4 mit einem kleineren Katalysator (Katalysatortyp 3: 100 CPSI, 0.36 m3, beschichteter Katalysator (ca. 4x weniger Katalysatormaterial aber höhere Aktivität als Referenzkatalysator (Hug Neuentwicklung)) mit den Randbedingungen: gleicher Verbrauch, NOx- und Ammoniakemissionen wie bei Referenzmessung bei reduziertem Katalysatorvolumen ist durchgeführt und ausgewertet. Meilenstein 3.

6.    Ein Schlussbericht mit Auswertung, Darstellung und Quantifizierung der Ergebnisse aus 1 bis 5 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.

7.    Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

8.    Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Projektziele (Deutsch)

Es soll eine aktive Motorsteuerung, welche vom Status des SCR-Katalysators abhängig ist, für einen Wärtsilä W6L20CR Motor entwickelt und getestet werden. Die Messresultate aus den Messkampagnen bestätigen, dass die Ziele der einzelnen Messkampagnen erreicht werden können:

• Messkampagnen 1: Ziel: Reduktion der NOx-Emissionen um 30%

  Randbedingungen: Umsatzrate von 90% auf 93% erhöht, gleichbleibender Ammoniak-schlupf, gleichbleibenden Brennstoffverbrauch

• Messkampagnen 2: Ziel: Reduktion des Brennstoffverbrauchs um 1-2%

  Randbedingungen: Umsatzrate von 90% auf 93% erhöht, gleichbleibender Ammoniak-schlupf, gleichbleibende NOx-Emissionen

• Messkampagnen 3+4: Ziel: Reduktion des aktiven Materials und des Kat-Volumen

Randbedingungen: gleichbleibender Ammoniakschlupf, gleichbleibenden Brennstoff-verbrauch, gleichbleibende NOx-Emissionen

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Im Projekt «Intelligenter SCR» wurde eine Systematik erarbeitet, welche den Betrieb eines Marine-Dieselmotors in Kombination mit einem SCR (Selective Catalytic Reduction, Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden) den Kraftstoffverbrauch minimiert, ohne mehr Stickoxid oder mehr Ammoniak zu emittieren.
Das optimale Temperaturbetriebsfenster eines SCRs kann oft nicht über den gesamten Lastbereich des Motors abgedeckt werden. Eine Erhöhung der Abgastemperatur des Motors hat tendenziell eher eine negative Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch. Diese kann jedoch kompensiert werden, wenn der Motor mehr Stickoxid ausstossen darf. Dies wiederum ist möglich, wenn der Katalysator durch die höhere Temperatur mehr Stickoxid wieder zu Sauerstoff und Stickstoff reduzieren kann. In der erarbeiteten Systematik wurde dieser Zielkonflikt optimiert. Notwendig dazu ist sowohl ein digitales Abbild des Motors, welches von Vir2sense erarbeitet wurde, sowie eines des SCRs, welches von HUG Engineering erarbeitet wurde. Dieser intelligente SCR kennt zu jeder Zeit seine Umsatzkapazität. Gegenüber dem Referenztest mit Standardeinstellungen konnte so der Verbrauch um 1.7%, die Stickoxidemissionen um 60% und die Ammoniakemissionen um 40% reduziert werden. Ein Austausch von Komponenten fordert nur minimale Anpassungen in der Systematik. So konnten auch bei kleineren Katalysatoren erhebliche Einsparungen erzielt werden. Diese Optimierung wurde in Echtzeit auf einem Standard PC durchgeführt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Auch wenn die Anwendung im technisch rasch umgesetzt werden kann, stehen einige Herausforderungen an: Für eine Umsetzung braucht es die Zusammenarbeit mit einem Motorenhersteller, da in die Motorsteuerung eingegriffen wird. Weiter muss für eine kommerziell interessante Anwendung zusätzlich der Harnstoffverbrauch in die Optimierung eingeschlossen werden. Die erfolgreichen Messkampagnen werden daher als Technologiedemonstration verwendet. Insbesondere der sehr einfache Austausch von Komponenten (in diesem Fall die Anwendung mit drei verschiedenen Katalysatoren) zeigt den Nutzen der einzelnen Technologiebausteinen, welche auch ausserhalb der demonstrierten Anwendung wertvoll sind.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die nächsten Schritte bestehen in der Erarbeitung von weiteren Produktlösungen aus den Technologiebausteinen für verschiedene Motor-Hardwarekombinationen (z.B.: mechanische Einspritzung mit Wastegate oder Abgasrückführung) welche bei möglichen Abnehmern im Portfolio stehen. Weiter besteht ein nächster Schritt in der Suche nach Partnerschaften aus dem Umfeld der Motorenhersteller.