Erster umweltfreundlicher Lkw-Antrieb

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MIT-Ingenieure entwickeln Hybrid-Schwerlastwagen

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen E-Lkw in Kombination mit Benzin-Ethanol-Motor entwickelt, und sind überzeugt, dass damit Umweltverschmutzung und Treibhausgase radikal gesenkt werden. Daniel Cohn und Leslie Bromberg haben sich vor einigen Jahren der Herausforderung gestellt, einen emissionsarmen und kraftstoffeffizienten Ersatz für die umweltschädlichen Dieselmotoren zu entwickeln, die traditionell als die einzig mögliche Option für den Antrieb von Schwerlast-Lkw angesehen werden. Mit ausgeklügelten, von Bromberg entwickelten Computermodellen haben sie nun ein Konzept für einen Motor entwickelt, der dieser Aufgabe gerecht werden soll.

Die meisten Anstrengungen zur Verringerung negativer Auswirkungen heutiger Fahrzeuge auf Luft und Klima konzentrieren sich auf Pkw und leichte Nutzfahrzeuge, die typischerweise mit Benzin betrieben werden, mit Strategien, die von Elektrifizierung und Fahrgemeinschaften bis hin zu autonomen Fahrzeugen reichen. Lkw mit einem Gesamtgewicht bis 40 Tonnen, mit denen viele Güter von der Landwirtschaft oder vom Werk auf den Markt gebracht werden, werden praktisch alle von Dieselmotoren angetrieben.

Diese Lkw sind heute der größte Produzent von Stickoxidemissionen (NOx) im Verkehrssektor und tragen zu bodennahem Ozon, Atemwegsproblemen und vorzeitigen Todesfällen in städtischen Gebieten bei. Einige Schätzungen gehen davon aus, dass Dieselkraftstoff – der sowohl für Lkw als auch für Pkw verwendet wird – innerhalb des nächsten Jahrzehnts weltweit den Verkauf von Benzin überflügeln wird, was zu einer weiteren Zunahme der bereits starken städtischen Luftverschmutzung und der Treibhausgaskonzentrationen führen könnte.

Plug-in-Hybridmotorsystem plus Benzinmotor

Bisher wurde wenig unternommen, um die Lkw-Abgase einzudämmen. Forscher am MIT haben nun einen neuen Weg gefunden, diese Lkw mit Strom zu versorgen, um die Umweltverschmutzung drastisch zu verringern, die Effizienz zu steigern und ihre Treibhausgasemissionen zu verringern oder sogar zu beseitigen. Das Konzept sieht die Verwendung eines Plug-in-Hybridmotorsystems vor, bei dem der Lkw hauptsächlich durch Batterien angetrieben wird, jedoch mit einem Benzin- anstelle eines Dieselmotors. Dieser Motor, mit dem die Lastwagen bequem die gleichen Distanzen zurücklegen können wie heutige herkömmliche Diesel-Lastkraftwagen, wäre ein Flex-Fuel-Modell, das mit reinem Benzin, Bioethanol, Designer-Fuels oder Mischungen dieser Kraftstoffe betrieben werden könnte.

Das ultimative Ziel sei, Lastwagen vollständig mit Batterien zu betreiben, so die Forscher. Die Flex-Fuel-Hybridoption könnte diesen Lastwagen einen frühen Markteintritt ermöglichen, indem Bedenken hinsichtlich der begrenzten Reichweite, übermäßiges Gewicht der Batterie für eine größere Reichweite beseitigen würden. Das neue, am 11.04.2019 im Rahmen der jährlichen SAE International Conference in Detroit vorgestellte Konzept wurde von  Daniel Cohn, MIT Energy Initiative und Leslie Bromberg vom Plasma Fusion and Science Center entwickelt.

„Wir arbeiten seit einigen Jahren daran, Motoren für Autos und Lastkraftwagen sauberer und effizienter zu machen, und wir waren besonders daran interessiert, es mit Benzinmotoren zu machen, weil es mit Ottomotoren viel sauberer ist, als mit Diesel“, sagt Cohn. Verglichen mit einem Diesel verursacht ein Benziner nur ein Zehntel der Stickoxid- (NOx) -Verschmutzung. Durch die Verwendung einer Flex-Fuel-Konfiguration, die es ermöglicht, mit Benzin, Ethanol, Methanol oder Gemischen davon zu arbeiten, haben diese Motoren außerdem das Potenzial, weit weniger Treibhausgas zu emittieren als reine Benzinmotoren. Bei reinem Methanol oder Bioethanol aus Erneuerbaren Quellen wie landwirtschaftlichem Abfall, Reststoffen oder Siedlungsabfall, könnten die Netto-Treibhausgasemissionen sogar Null sein. „Dies ist eine Möglichkeit, einen Treibstoff mit niedrigem Treibhausgasverbrauch zu nutzen, aber immer noch die Möglichkeit hat, ihn mit Benzin zu betreiben“, so Cohn.

Vollelektrische LkW bräuchten 10 bis 15 Tonnen Batterien

Während Tesla Motors angekündigt hat, einen vollelektrischen Schwerlastwagen herzustellen, sagt Cohn: „Wir denken, dass dies aufgrund der Kosten und des Gewichts der Batterien sehr schwierig sein wird, um gnügend Reichweite zu erreichen“. Dafür müssten nach Berechnungen von Cohn und Bromberg 10 bis 15 Tonnen Batterien kalkuliert werden. „Das verringert erheblich die Nutzlast, die ein solcher Lkw eigentlich befördern könnte“. Um dies zu umgehen, „denken wir, dass der Weg zum Einsatz von Elektrizität in diesen Fahrzeugen über einen Plug-in-Hybrid führt“. Der Motor, den sie für einen solchen Hybrid vorschlagen, ist eine Version der beiden Forscher, an der sie seit Jahren arbeiten. Sie entwickelten einen hocheffizienten, flexiblen Benzinmotor, der weitaus weniger wiegt, weniger Kraftstoff verbraucht und ein Zehntel der Luftverschmutzung heutiger Dieselfahrzeuge produziert.

E-Lkw – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Cohn und Bromberg führten eine detaillierte Analyse sowohl der Technik als auch der Wirtschaftlichkeit dessen durch, was erforderlich wäre, um einen solchen Motor zu produzieren, und gleichzeitig die Anforderungen der Lkw-Betreiber zu erfüllen. Um die Effizienz von Dieselkraftstoffen zu erreichen, kann eine Mischung aus Ethanol mit Benzin oder sogar reinem Ethanol (E100) verwendet werden, das unter Verwendung Erneuerbarer Energiequellen erarbeitet wird. Detaillierte Computermodelle für eine ganze Reihe gewünschter Triebwerksmerkmale, kombiniert mit einem Screening der Ergebnisse eines künstlichen Intelligenzsystems, lieferten eindeutige Hinweise auf die meistversprechenden Pfade und zeigten, dass solche Substitutionen tatsächlich praktisch und finanziell realisierbar sind.

Sowohl bei den derzeitigen Dieselfahrzeugen als auch bei den vorgeschlagenen Flex-Fuel-Fahrzeugen werden die Emissionen nach verschiedenen Abgasreinigungssystemen am Auspuff gemessen. Der Vergleich ist daher nur ein bedingt realistischer Maßstab für die Emissionen in der realen Welt. Die Kombination eines Hybridantriebs und eines Flex-Fuel-Motors ist für mich „ein Weg, um die Einführung des Elektroantriebs in den schweren Lkw-Bereich zu ermöglichen, indem auf eine saubere Weise Reichweiten- und Kostenanforderungen erfüllt werden können“. Benzinmotoren sind im Laufe der Jahre viel effizienter und sauberer geworden, und die relativen Kosten für Dieselkraftstoff sind nur mit staatlichen Subventionen wirtschaftlich. Die Kostenvorteile, die zu einer nahezu universellen Einführung von Diesel für schwere Lastkraftwagen führten, gehören abgeschafft.

„Alkoholkraftstoffe vielversprechend“

Durch den Einsatz des Motors in einem Hybridsystem kann der Motor immer mit optimaler Drehzahl arbeiten und seine Effizienz maximieren. Methan ist ein extrem starkes Treibhausgas. Wenn es also durch einen einfachen chemischen Prozess in Methanol umgewandelt werden kann, ist das neben Bioethanol eine attraktive Möglichkeit, mit einem sauberen Brennstoff die Umweltbelastung im Straßenverkehr zu reduzieren. „Ich denke, die Alkoholkraftstoffe sind vielversprechend“ sagt Cohn.

Zapfhähne Dieselersatz OME und Solarstrom – Quelle © Schlögl, MPI CEC

Er weist bereits darauf hin, dass in Kalifornien neue Vorschriften für Lkw-Emissionen bevorstünden, die mit Dieselfahrzeugen nur schwer zu erreichen seien. „Wir glauben, dass es für Lkw-Transportunternehmen ein wichtiger Grund ist, Benzin-Ethanol-flexiblen Kraftstoff zu verwenden. Die Motoren sind billiger, Abgasbehandlungssysteme sind billiger, und es ist ein Weg, sicherzustellen, dass die erwarteten Vorschriften erfüllt werden. Die Kombination mit dem elektrischen Antrieb in einem Hybridsystem wird die Umweltverschmutzung durch Lkw-Emissionen angesichts eines immer saubereren Stromnetzes weiter reduzieren.“

Der rein elektrische Antrieb für Lastwagen ist das ultimative Ziel, aber heutige Batterien machen dies noch nicht zu einer realistischen Option. „Batterien sind großartig, aber lassen Sie uns realistisch sein, was sie bieten können.“ sagt Cohn. Die Kombination, die Cohn und Bromberg vorschlagen, kann zwei große Herausforderungen auf einmal lösen. Sie sagen. „Wir wissen nicht, was stärker sein wird, der Wunsch, Treibhausgase zu reduzieren, oder der Wunsch, die Luftverschmutzung zu reduzieren.“ In den USA ist der Klimawandel möglicherweise der größte Schub, während in Indien und China die Luftverschmutzung dringlicher sein kann, aber „diese Technologie hat ihren Wert für beide Herausforderungen“, so Cohn.

->Quellen (engl.):