Neuer Katalysator von RWTH Aachen und Forschungszentrum Jülich – Interview mit Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger

RWTH Aachen und Forschungszentrum Jülich entwickeln neuen Katalysator:
„Höchste Wirkungsgrade bei gleichzeitig geringstem Emissionsniveau“

Interview mit Professor Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Institutsleiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen University.

Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, RWTH Aaachen
Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, RWTH Aachen

Herr Professor Pischinger, Sie haben etwas entwickelt, das wie eine Revolution aussieht. Ist dieser Katalysator erst jetzt technisch realisierbar?

Entwickelt haben wir diesen Katalysator noch nicht. Das Förderprojekt „DeNOx“ wurde angestoßen, um basierend auf einem neuen Konzept ein entsprechendes Abgasreinigungssystem zu erforschen. Wie für Forschungsprojekte üblich, besteht auch hier das Risiko, dass sich die Idee als nicht oder nicht im vollen Umfang umsetzbar herausstellt.

Wann ist Ihr Katalysator voraussichtlich serienreif?

Wir haben jetzt ein Forschungsvorhaben gestartet, welches zunächst bis Ende 2020 laufen wird. Aufgrund des breit aufgestellten Konsortiums von der Materialherstellung bis zum Motorenbauer können wir im Erfolgsfall von einem relativ hohen Reifegrad ausgehen. Dennoch werden 2-5 weitere Jahre bis zur vollständigen Serienreife vergehen.

Hintergrund: Das Projektkonsortium besteht aus den RWTH-Einrichtungen Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA), Institut für Anorganische Chemie (IAC), Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) und Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie (GFE), dem Institut Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1) am Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrums Jülich GmbH sowie den Firmen Clariant AG, FEV Europe GmbH, Ford-Werke GmbH, DEUTZ AG, Sasol Germany GmbH und Umicore AG & Co. KG.

Bekommen Sie von der Politik Unterstützung für Ihr Projekt?

Ja, das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Wenn man sich Ihren Katalysator ansieht, stellt man sich den Einbau einfach vor: „Out-of-the-box-and-drive“. Lassen sich bestehende Diesel-Fahrzeuge mit Ihrem Katalysator nachrüsten?

Auch dieses System erfordert Eingriffe in die Steuerung und Regelung des Gesamtantriebsstranges und ist damit nicht als Plug-and-play-Lösung einsetzbar. Die Entwicklung hat zunächst zum Ziel, bei zukünftigen verbrennungsmotorischen Antrieben unabhängig vom verwendeten Kraftstoff höchste Wirkungsgrade bei gleichzeitig geringstem Emissionsniveau zu ermöglichen.

Versuchsreaktor in der Katalysatorentwicklung, RWTH am Institut für Technische und Makromolekulare Chemie von Frau Prof. Palkovit
Versuchsreaktor in der Katalysatorentwicklung, RWTH am Institut für Technische und Makromolekulare Chemie von Frau Prof. Dr. rer. nat. Regina Palkovits

Wie auch für bisher bekannte Abgasnachbehandlungssysteme könnte auch hier der Einsatz als Nachrüstlösung möglich werden, was aber sicherlich einen gewissen Entwicklungsaufwand für die Integration ins Fahrzeug und die Erprobung mit sich bringt, der nicht Bestandteil unserer Forschungsarbeiten ist.

Wie erklären Sie jemand, der von Motoren nichts versteht, das Prinzip?

  • Der magere Betrieb eines Verbrennungsmotors ermöglicht die Steigerung der Verbrennungseffizienz und damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
  • Mager betrieben heißt, dass dem Motor mehr Luft zugeführt wird, als er für die Verbrennung des zugeführten Kraftstoffs eigentlich benötigen würde.
  • Durch diese Betriebsführung, die für den Dieselmotor klassisch ist und auch für den Ottomotor Anwendung findet und fand, ergeben sich Wirkungsgradvorteile durch geringere Verluste im Ladungswechsel und der Verbrennung.

Hintergrund: Was sind Ladungswechsel? Ladungswechsel (Gasaustausch) wird im Verbrennungsmotor der Moment genannt, in dem verbrannte Abgase über das Auslassventil ausgestoßen werden – und in der nächsten Hundertstelsekunde (bei hohen Drehzahlen noch schneller) der Ansaugtakt abläuft.

  • Der für den Wirkungsgrad positive Luftüberschuss ist jedoch nachteilig bei der Reinigung der Abgase von bestimmten Schadstoffen wie Stickoxiden.
  • Im Gegensatz zum klassischen, stöchiometrisch betriebenen Benzinmotor, bei dem genau so viel Luft zugeführt wird wie zur Verbrennung des zugeführten Kraftstoffs benötigt wird, enthält das Abgas Restsauerstoff und weniger Komponenten wie z. B. Kohlenmonoxid, die das Stickoxid in einem Katalysator in harmlosen Stickstoff umwandeln.
  • Daher müssen für mager betriebene Motoren jene Stoffe, die diese Aufgabe mit Hilfe eines Katalysators erfüllen können, von außen zugeführt werden. Der bekannteste Stoff dafür ist die wässrige Harnstofflösung (an Tankstellen unter AdBlue® vermarktet), welche im Abgassystem zu Ammoniak zersetzt wird und dann im Katalysator mit den Stickoxiden reagieren kann.
  • Alternativ dazu wird heute der Speicherkatalysator genutzt, bei dem Stickoxide zunächst im Katalysator gespeichert werden und durch einen kurzzeitigen Wechsel des Motorbetriebes von Luftüberschuss zu Luftmangel reduziert werden. Durch diesen Betriebswechsel sind im Abgas mehr Komponenten wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthalten, welche mit dem eingespeicherten Stickoxid zu Stickstoff CO2 und Wasser reagieren können.

    Zusammenfassung: Herkömmliche 3-Wege-Katalysatoren, wie es sie seit Jahrzehnten gibt, arbeiten am besten im stöchiometrischen Betrieb. Für den auf hohen Wirkungsgrad ausgelegten Magerbetrieb (Sauerstoffüberschuss) wurden der Speicherkatalysator und der SCR-Katalysator entwickelt.

  • Das von uns angestrebte System kombiniert die beiden bekannten Systeme, indem es ebenfalls zunächst Stickoxide speichert, die Reaktion der eingespeicherten Stickoxide während des Betriebs mit Luftmangel dann aber über den Stickstoff hinaus bis zum Ammoniak führen soll. Ammoniak kann wiederum eingespeichert werden und folgend zur Reduktion des vom Motor kommenden Stickoxides genutzt werden.
  • Wenn dann das eingespeicherte Ammoniak vollständig verbraucht ist, beginnt der Kreislauf erneut. Durch eine Zudosierung des bekannten AdBlue kann die Dauer der Phase, in welcher Ammoniak verbraucht wird, beeinflusst werden, wodurch das gesamte Abgasreinigungssystem in Summe sehr leistungsfähig und flexibel wird.

    Zusammenfassung: Der neue Katalysator, der von mehreren RWTH-Einrichtungen, dem Forschungszentrum Jülich und Partnern aus der Industrie entwickelt wird, kombiniert die bekannte harnstoffgestützte Abgasreinigung mit dem ebenfalls bekannten Speicherkatalysator. Das Besondere an diesem Konzept: Der Katalysator produziert aus dort eingespeicherten Stickoxiden selbsttätig speicherbares Ammoniak zur Reduktion von Stickoxiden. Dieser Kreislauf wiederholt sich permanent. Der magere, effizienteste Motorenbetrieb kann überwiegend beibehalten werden, weil das System bei Bedarf mit Harnstoffzuführung unterstützt wird.

Dieselfahrzeuge gibt es weltweit. Wird Ihr Katalysator auch ein Exportprodukt?

Dieses System ist nicht ausschließlich für dieselmotorische Antriebe gedacht. Bei einem Erfolg des Projekts spricht nichts gegen eine Verbreitung des Systems innerhalb Europas. Aufgrund unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten, insbesondere höherer Schwefelanteile außerhalb Europas, müsste das neue Abgasnachbehandlungssystem den länderspezifischen Anforderungen angepasst werden bzw. die Kraftstoffnormen geändert werden. Wobei in der Entwicklung grundsätzlich auch Gesichtspunkte wie Resistenz gegen Schwefel nicht unbeachtet bleiben werden.

Einbau einer Katalysatorprobe in den dynamischen Synthesegasprüfstand des VKA
Einbau einer Katalysatorprobe in den dynamischen Synthesegasprüfstand des VKA

Werden Sie diesen Katalysator auch für Nutzfahrzeuge anbieten?

Ja, Ziel ist es, ein möglichst flexibles und skalierbares System zu entwerfen, welches unabhängig von Motortyp, Leistungsklasse und Anwendung eingesetzt werden kann.

Wäre im entsprechenden Format auch eine Verwendung auf Schiffen möglich, oder fehlt bei den langsam drehenden Motoren der erforderliche Abgasdruck?

Der Abgasdruck ist an dieser Stelle kein Einflussfaktor. Grundsätzlich wäre das System zwar auch dafür denkbar, aber die Vorteile kommen in Schiffsantrieben deutlich weniger zum Tragen und Kosten sowie der nötige Eingriff in den Motorbetrieb sprechen an der Stelle eher dagegen.

Nehmen wir an, Feinstaub und Stickoxide sind beim Diesel kein Thema mehr, was kommt dann?

Feinstaub ist seit Einführung des Partikelfilters kein Thema mehr. Unabhängig vom Motortyp wird mittel- und langfristig die Senkung der CO2 -Emissionen die größte Herausforderung.

Was sagen Sie Politikern und Umweltschützern, die Umweltbelastungen ausblenden, die bei der Herstellung und dem Recycling von Batterien – und der Stromgewinnung – entstehen?

Wir sollten das Thema Mobilität möglichst breit gefächert und ganzheitlich betrachten. Wir erwarten in der nahen Zukunft eine deutlich höhere Vielfalt an Antriebslösungen, die spezifisch auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten sind. Bei der Bewertung dieser Lösungen sollten aus unserer Sicht natürlich möglichst umfassend alle Faktoren Berücksichtigung finden. Das heißt, keine der neuen Antriebstechnologien ist ein Allheilmittel, das alle Marktanforderungen und -bedürfnisse bedient.

Hat Ihr Katalysator auch positive Auswirkungen auf die Geräuschemissionen? Er sieht in der Schnittzeichnung einem Schalldämpfer ähnlich.

Geometrisch wird sich das System nicht von heute üblichen Katalysatoren unterscheiden und auch weiterhin den Anforderungen, die das Fahrzeugkonzept an den Bauraum stellt, Rechnung tragen müssen. Insofern erwarten wir auch nicht, dass sich das System akustisch anders verhält als heute übliche Komponenten.

Die Verschrottung hunderttausender wertvoller, voll funktionstüchtiger Autos käme einem ökonomischen wie ökologischen Desaster gleich: Vernichtung volkswirtschaftlicher Werte, vorzeitige Abschreibungen (Steuerverluste), gerichtliche Verfahren, Umweltaspekte bei der Entsorgung enormer Materialmengen, die beim Elektromotor keine Verwendung mehr hätten. Wer bringt den Beteiligten das Nachrechnen näher?

Unsere Aufgabe als Forschungsstellen kann es nur sein, vollumfängliche Zusammenhänge wissenschaftlich zu beschreiben, neue Ideen zu erforschen und Innovationen zu entwickeln, um Alternativen und Fortschrittspotentiale aufzuzeigen. In welcher Form diese verfolgt werden, ist Aufgabe von Industrie und Politik.

 

Vielen Dank für dieses Interview!

Das Interview mit Herrn Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger führte Johannes Faupel, Fachjournalist aus Frankfurt

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Schlussbemerkung: Warum ist Abgasreinigung so ein wichtiges Thema? Die derzeit politisch geführte Diskussion um das „Enddatum für den Verbrennungsmotor“ wird auf der Basis lückenhafter und oft schlicht falscher Informationen geführt. Es werden Adblue und Stickoxide – Abkürzung NOx (NOX) sowie andere reflexartig mit Dieselmotor und Abgas, Katalysator und Harnstoff zusammen verwendet. Der Elektroantrieb wird als die Lösung aller Probleme gepriesen. Doch die Gesamtbilanz, wie viel es die Umwelt und die Menschen kostet, bis ein Elektroauto ab Rohstoffgewinnung den ersten Meter fährt … diese Gesamtbilanz gibt es noch nicht. Sie wird hier in Kürze folgen.

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