Mobile Maschinen arbeiten sauberer als Pkw

Hartnäckig hält sich das Vorurteil, die Abgasgrenzwerte für Land- und Baumaschinen seien laxer als jene für Pkw. Eine Studie des Lehrstuhls für Mobile Arbeitsmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) belegt das Gegenteil. Um die Vorgaben zu erfüllen, müssen Abgase von Offroad-Antrieben mit demselben technischen Aufwand gereinigt werden wie bei Lkw. Und: Die nächste Grenzwertverschärfung ist bereits in Sicht.

Es ist ein gängiges Klischee: Pkw erfüllen dank Hightech-Antrieben strengste Abgasnormen, während Bagger, Traktoren und Lokomotiven mit alter Dieseltechnik die Luft verpesten. „Mit der Realität hat das wenig zu tun“, widerspricht Marcus Geimer, Leiter des Lehrstuhls für Mobile Arbeitsmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). In einer aktuellen Studie belegt er seinen Widerspruch mit Zahlen.

Die Studie stellt Grenzwerte der neuesten Abgasstufe Euro 6 für Pkw und der seit 1. Januar 2015 geltenden Stufe IV der Richtlinie 97/68/EG für Land-, Baumaschinen, Schiffe und Eisenbahnen im Leistungsbereich von 56 kW bis 560 kW gegenüber. Wobei dieser Vergleich nur durch Umrechnungen möglich wird. Während die Schadstoffe im Pkw-Abgas in g/km auf die Strecke bezogen angegeben werden, erfolgt die Bemessung bei mobilen Maschinen in g/kWh - ein Bagger im Einsatz verbraucht zwar Kraftstoff, fährt dabei aber eben keine Strecken.

Geimer entwickelt in seiner Studie Umrechnungsfaktoren, mit denen sich die Grenzwerte direkt miteinander vergleichen lassen. Zunächst wird ein Idealwert ermittelt. Dafür wird der von der EU geforderte CO2-Flottenwert von 120 g/km zugrunde gelegt, von dem über das real gemessene CO2-Äquivalent von 2,70 kg/l Dieselkraftstoff auf einen Durchschnittsverbrauch von 4,44 l auf 100 km geschlossen wird. Dieser wird in Relation zum spezifischen Verbrauch gesetzt, der bei modernen Dieselmotoren im Idealfall 200 g/kWh beträgt. Legt man diesen Idealwert sowie 0,83 kg/l Kraftstoffgewicht und 4,4  l/100 km Verbrauch zugrunde, dann kommt ein optimal eingestellter Dieselmotor mit 1 kWh genau 5,42 km weit. Dieser Wert ist ein erster möglicher Umrechnungsfaktor von streckenbezogenen zu energiebezogenen Abgaswerten.

Alternative Umrechnungsfaktoren errechnet der Experte auf Basis des aktuell zur Ermittlung der Verbrauchs- und Abgaswerte von Pkw genutzten Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) und der künftigen Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure (WLTP). Im NEFZ ergibt sich ein Umrechnungsfaktor von 8,39 km/kWh: Fahrzeuge legen in dem 1180 s dauernden Zyklus bei der moderaten mittleren Antriebsleistung von 4 kW exakt 11 km zurück. Im WLTP liegt die mittlere Antriebsleistung bei 7 kW, was bei 23,25 km Strecke in 30 min den Umrechnungsfaktor 6,643 km/kWh ergibt.

Anhand der Umrechnungsfaktoren wird der Direktvergleich der Abgaswerte von Diesel-Pkw und mobilen Maschinen möglich. Mit erstaunlichem Ergebnis: Die Gegenüberstellung zeigt, dass Diesel-Pkw im Betrieb mehr Schadstoffe ausstoßen, als es der Gesetzgeber für Land- und Baumaschinen, Eisenbahnen und Schiffe erlaubt. Letztere dürfen laut Stufe IV der 97/68/EG pro kWh maximal 0,4 g Stickoxide (NOx) und 0,025 g Partikel ausstoßen. Für Pkw gelten Grenzwerte von 80 mg NOx und 4,5 mg Partikel je Kilometer. Bei Umrechnung mit den von Geimer errechneten Faktoren ergibt sich im besten Fall (5,42 km/kWh) ein NOx-Wert von 0,4 g/kWh und ein Partikelausstoß von 0,024 g/kWh. Dagegen sind es im NEFZ (8,39 km/kWh) satte 0,7 g NOx und 0,038 g Partikel pro kWh und im WLTP (6,64 km/kWh) immerhin noch 0,5 g NOx und 0,03 g Partikel – Werte, mit denen mobile Maschinen keine Zulassung bekämen.

„Die Emissionswerte von Pkw sind bestenfalls gleich hoch wie die von mobilen Maschinen, im praktischen Betrieb jedoch in der Regel höher“, so Geimers Fazit. Entsprechend rufen Land- und Baumaschinenhersteller längst das gesamte technische Arsenal ab, um den Schadstoffausstoß zu minimieren. „Die Maßnahmen sind weitgehend mit denen der Lkw-Branche identisch“, so Peter Pickel, stellvertretender Leiter des European Technology Innovation Centers von John Deere, der zudem an der TU Kaiserslautern lehrt.

Neben gekühlter Abgasrückführung setzt die Branche auf Dieselpartikelfilter und SCR-Katalysatoren, die NOx im Abgas mithilfe eingespritzten Harnstoffs zu Wasser und Stickstoff zersetzen. Dies funktioniert nur in Kombination mit Hydrolysemodulen, die Harnstoff in Ammoniak wandeln und Oxidationskatalysatoren, die überschüssiges Ammoniak zersetzen. Zudem sind laut Pickel Dieseloxidationskatalysatoren notwendig, um Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas zu entfernen.

„Bis Stufe IIIB der Richtlinie 97/68/EG war es möglich, den Motor über die Auslegung der Abgasrückführung so abzustimmen, dass die Schadstoffe wahlweise mit SCR-Kat oder Partikelfilter beherrschbar waren“, so der Professor. Seit Stufe IV sei die Kombination beider Lösungen nahezu unausweichlich. Denn es gilt einen Widerspruch zu lösen: Je heißer die Verbrennung, umso weniger Partikel aber desto mehr NOx entsteht. Wird die Temperatur der Verbrennung durch Abgasrückführung gesenkt, bilden sich mehr Partikel. Es gilt also, die Bildung von NOx und Partikeln von vornherein zu minimieren – und beides dann mit SCR-Kat und Partikelfilter aus dem Abgas zu filtern.

Spätestens wenn 2019/20 Stufe V in Kraft tritt, wird der Aufwand abermals steigen. Denn dann soll nicht mehr nur die Partikelmasse in g/kWh als Bemessungsgrundlage dienen, sondern auch die Zahl der Partikel im Abgas. „Spätestens dann wird kein Weg mehr an der Kombination von SCR-Technik, Partikelfilter und Abgasrückführung vorbeiführen“, sagt Pickel. Aktuell sei ein Trend zur Integration von Partikelfilter und SCR-Kat in einem Modul erkennbar, der möglicherweise helfen werde, die Bauraumverknappung im Antriebsstrang und die Kostenproblematik zu entschärfen.

Heribert Reiter, Co-Geschäftsführer von AGCO Fendt, sieht ebenfalls keine Alternative zur Kombination von SCR-Technik, Partikelfiltern und Abgasrückführung, um die Grenzwerte der künftigen Stufe V einzuhalten. Wobei sich die Auslegung der Systeme bei AGCO an der Total-Cost-of-Ownership (TCO) orientiere. Für den globalen Konzern sei das Nebeneinander unterschiedlicher gesetzlicher Abgasnormen und Messverfahren in verschiedenen Märkten ein massiver Kostentreiber. „Der Aufwand, den wir betreiben müssen, ist enorm. Gerade in der jüngeren Vergangenheit hat er manch andere Investition und Innovation behindert“, so Reiter. Von daher sei es doppelt ärgerlich, dass sich das Klischee der „Schadstoffschleudern vom Acker“ noch immer halte.

Autor des Artikels:

Peter Trechow