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CO2-Reduktion für schwere Güterkraftfahrzeuge im Fernverkehr
eine systematische Analyse von Optionen für Kraftstoffauswahl und Antriebsstrang
Dunger, Torsten
Aus klimapolitischer Sicht müssen die CO2-Emissionen des schweren Langstreckengüterkraftverkehrs deutlich reduziert werden. Maßnahmen aus dem Pkw-Bereich oder dem Verteilerverkehr lassen sich aufgrund abweichender Randbedingungen nur schlecht übertragen. In dieser Arbeit werden die Randbedingungen spezifiziert und darauf basierend systematisch Konzepte für einen CO2-freien Fernverkehrsantrieb entwickelt. Der Fokus liegt auf Masse und Bauraum. Es kommen verschiedene Ansätze zum Einsatz. Zunächst findet ein Technologiescreening statt und vielversprechende Technologien werden in Konzepten konkretisiert. Als Resultat werden die alternativen Kraftstoffe Ammoniak und Wasserstoff sowohl mit konventionellen Otto- und Dieselmotoren als auch mit Brennstoffzellen und Freikolbenlineargeneratoren kombiniert.
Als Wasserstoffspeichertechnologien werden neben Komposittanks die Wasserstofffreisetzungen aus Amminboran und Natriumborhydrid diskutiert. Die Wasserstofferzeugung aus der Reaktion von Silizium mit Wasser wird ebenso untersucht wie die direkte Verbrennung von Silizium in Verbindung mit einer geschlossenen Dampfturbine. Als RetrofitKonzept wird ein konventioneller Dieseltriebstrang mit einer Abgaswäsche und CO2-Speicherung an Bord berechnet. Bei geforderten Reichweiten von 800 km bzw. 1100 km fallen alle untersuchten Konzepte schwerer aus als ein konventioneller Dieseltriebstrang. Zudem reagieren die Konzepte basierend auf alternativen Energieträgern deutlich stärker auf Änderungen der geforderten Reichweite. Dies liegt vor allem an den geringeren gravimetrischen Energiedichten der Kraftstoff-Speicher-Systeme. Am besten schneidet die Verbrennung von Ammoniak in einem Freikolbenlineargenerator in Verbindung mit einem elektrifizierten Antriebsstrang ab.
According to the climate change policy carbon dioxide emissions of long-haul trucks have to be reduced. Measures suitable for passenger cars or distributor traffic are usually not applicable for longhaul trucks due to differing boundary conditions. In this work, the corresponding boundary conditionsare specified and, based on these, new concepts for a zero emission powertrain are developed. The focus of the examination is the impact on weight and package space. Different approaches are taken into account. The concepts presented here are based on the most promising outputs of a technology screening. As a result the alternative fuels ammonia and hydrogen are combined both with conventional gasoline and diesel engines as well as with fuel cells and free-piston linear generators.
Hydrogen can be stored in composite vessels or on-board generated by using ammonia borane, sodium borohydride or silicon. Hydrogen generation from chemical reaction with water is investigated, as well as direct silicon combustion to generate heat to feed a steam turbine. An option for retrofitting a conventional diesel powertrain is to equip the truck with a flue gas scrubbing system and carbon dioxide storage vessels. When constructing the concepts for operational ranges of 800 km as well as 1100 km respectively, the weights of all concepts exceed the mass of a conventional diesel powertrain. Additionally, due to the lower gravimetric energy densities of the fuel-storage-systems the alternative concepts are more sensitive to changes in operational range than a diesel powertrain. The best performance for a zero emission powertrain in this study was achieved by the combustion of ammonia in a free-piston linear generator combined with an electrified powertrain.
