Erdgas und erneuerbares Methan für den Fahrzeugantrieb: Wege zur klimaneutralen Mobilität
Gespeichert in:
| Weitere Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Fachmedien
2015
|
| Schriftenreihe: | Der Fahrzeugantrieb
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XVII, 503 S. 200 farb. Ill. 25 cm |
| ISBN: | 9783658071585 3658071583 |
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XI
INHALTSVERZEICHNIS
1 GRUSSWORTE 1
1.1 GRUSSWORT DES BUNDESMINISTERIUMS FUER VERKEHR UND DIGITALE
INFRASTRUKTUR . 1
1.2 GRUSSWORT DES VDA 3
2 KLIMANEUTRALER VERKEHR - ERDGAS UND METHAN ALS TEIL DER LOESUNG 7
2.1 EINLEITUNG 7
2.2 VERKEHR: SORGENKIND DES KLIMASCHUTZES? 11
2.3 NICHTTECHNISCHE MASSNAHMEN FUER EINEN KLIMAVERTRAEGLICHEN VERKEHR 13
2.4 ENERGIEVERSORGUNG DES VERKEHRS - NACHHALTIGE, KLIMAVERTRAEGLICHE
KRAFTSTOFFE
FUER DEN VERKEHR 17
2.5 INFRASTRUKTUR FUER DIE ENERGIEVERSORGUNG DES VERKEHRS 21
2.6 ZUSAMMENFASSUNG 23
3 GESCHICHTLICHER RUECKBLICK 27
3.1 GESCHICHTE DES ERDGASES 27
3.2 GESCHICHTE DES ERDGASFAHRZEUGS 31
4 ERDGAS UND ERNEUERBARES METHAN 51
4.1 GRUNDLAGEN ZUM ERDGAS 51
4.1.1 PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN 53
4.1.2 CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN 58
4.2 ERDGASVORKOMMEN UND ERDGASGEWINNUNG 66
4.2.1 BRENNGASARTEN 67
4.2.2 ERDGASVORKOMMEN - RESERVEN UND RESSOURCEN 71
4.2.3 ERDGASFOERDERUNG 74
4.2.3.1 KONVENTIONELLE ERDGASFOERDERUNG 74
4.2.3.2 NICHT-KONVENTIONELLE ERDGASFOERDERUNG 76
4.2.4 ERDGASAUFBEREITUNG 78
4.2.4.1 ZUSAMMENSETZUNG UND VORGABEN 78
4.2.4.2 AUFBEREITUNGSPROZESSE 80
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XII
INHALTSVERZEICHNIS
4.3 ERDGASTRANSPORT UND ERDGASSPEICHERUNG 83
4.3.1 ERDGASTRANSPORT UEBER LNG 83
4.3.2 ROHRLEITUNGSGEBUNDENER ERDGASTRANSPORT 87
4.3.3 GASSPEICHER 91
4.3.4 GASMARKT 97
4.4 NACHHALTIGE ERDGAS-BZW. METHANERZEUGUNG 101
4.4.1 BIOMETHAN AUS DER VERGAERUNG: ORGANISCHE ABFAELLE,
NACHWACHSENDE ROHSTOFFE 101
4.4.1.1 EINLEITENDE ZUSAMMENFASSUNG 101
4.4.1.1.1 MARKTENTWICKLUNG, ABSATZMAERKTE UND TRENDS 102
4.4.1.2 ORGANISCHE ABFAELLE 104
4.4.1.2.1 WAS SIND ORGANISCHE ABFAELLE? 106
4.4.1.2.2 RESTSTOFFSTROEME (ERSCHLIESSUNG) 109
4.4.1.3 NACHWACHSENDE ROHSTOFFE (NAWARO) 109
4.4.1.3.1 WAS SIND (ERTRAGREICHE) NAWARO? 109
4.4.1.3.2 NACHHALTIGKEITSASPEKTE 111
4.4.1.4 VERGAERUNG INSGESAMT 111
4.4.1.4.1 AUFBEREITUNG ZU BIOMETHAN 114
4.4.1.4.2 BIOMETHANHANDEL 114
4.4.1.5 BIOMETHAN ALS KRAFTSTOFF 115
4.4.1.5.1 ERDGASFAHRZEUGE UND INFRASTRUKTUR 116
4.4.1.6 RAHMENBEDINGUNGEN 117
4.4.1.6.1 STAND IN EUROPA 117
4.4.1.6.2 AUSBLICK REGULATORISCHE INITIATIVEN DER EU 122
4.4.1.6.3 STAND IN DEUTSCHLAND 125
4.4.2 SYNTHETISCHES METHAN AUS BIOMASSE 128
4.4.2.1 EINLEITUNG 128
4.4.2.2 GRUNDLAGEN 129
4.4.2.3 TECHNOLOGISCHE EINORDNUNG 131
4.4.2.4 OEKOLOGISCHE UND OEKONOMISCHE EINORDNUNG 132
4.4.2.5 FAZIT UND AUSBLICK 133
4.4.3 SYNTHETISCHES METHAN AUS REGENERATIVER ELEKTRISCHER ENERGIE 133
4.4.3.1 TECHNISCHE UMSETZUNG DER
POWER-TO-GAS-TECHNOLOGIE (P2G) 143
4.4.3.1.1 MOTIVATION 143
4.4.3.1.2 DIE POWER-TO-GAS-TECHNOLOGIE ZUR ERZEUGUNG VON
ERDGASSUBSTITUT 144
4.4.3.1.2.1 BESONDERHEITEN BEI DER METHANISIERUNG
EINES C0
2
-BASIERTEN SYNTHESEGASES UND
VERWENDETE REAKTORBAUARTEN
145
4.4.3.1.2.2 AUSLEGUNG VON POWER-TO-GAS-ANLAGEN
IN DEN LEISTUNGSKLASSEN 25 KW
E
|, 250 KW
E
[
UND 6000 KW
EL
151
INHALTSVERZEICHNIS
XIII
4.4.3.1.3 ERGEBNISSE 154
4.4.3.1.3.1 METHANISIERUNGS-KATALYSATOREN:
SCREENING UND ZYKLEN-RESISTENZ 154
4.4.3.1.3.2 ERGEBNISSE DER 25-KW
E(
-P2G-ANLAGE 158
4.4.3.1.3.3 ERGEBNISSE DER 250-KW
E
I-P2G-ANLAGE . 160
4.4.3.1.3.4 ERGEBNISSE DER 6000-KW
E
|-E-GAS-ANLAGE
VON AUDI 162
4.4.3.1.4 P2G-PROZESSEFFIZIENZ 164
4.4.3.1.5 KOSTEN VON STROMBASIERTEM ERDGASSUBSTITUT 166
4.4.3.1.5 FAZIT 169
4.4.3.2 BIOLOGISCHE METHANISIERUNG - METHANERZEUGUNG DURCH
MIKROBIELLE UMWANDLUNG VON H
2
UND C0
2
171
4.4.3.2.1 EINLEITUNG 171
4.4.3.2.2 BIOLOGISCHE GRUNDLAGEN 171
4.4.3.2.3 ENTWICKLUNGSSTAND 173
4.4.3.2.4 BIOLOGISCHE METHANISIERUNG ALS ZENTRALER BAUSTEIN DER
POWER-TO-GAS-TECHNOLOGIE 176
4.4.3.2.4.1 CO?-BEREITSTELLUNG AUS UMGEBUNGSLUFT . 178
4.4.3.2.4.2 CCVBEREITSTELLUNG AUS CO^-EMITTIERENDEN
INDUSTRIEPROZESSEN 178
4.4.3.2.4.3 C0
2
-BEREITSTELLUNG AUS BIOGAS-
BEZIEHUNGSWEISE KLAERANLAGEN 178
4.4.3.2.5 BIOLOGISCHE METHANISIERUNG IN KOMBINATION MIT BIOGASAN
LAGEN 179
4.4.3.2.5.1 BIOLOGISCHE METHANISIERUNG DIREKT IM
GAERBEHAELTER 179
4.4.3.2.5.2 BIOLOGISCHE METHANISIERUNG IN EINEM
SEPARATEN REAKTOR 180
4.4.3.2.5.3 BIOLOGISCHE METHANISIERUNG IN EINEM
SEPARATEN REAKTOR AN BIOGASANLAGEN MIT
BIOGASAUFBEREITUNG 181
4.4.3.2.5.4 IN-SITU-ELEKTROLYSE UND BIOLOGISCHE
METHANISIERUNG 181
4.4.3.2.6 PRODUKTIONSKOSTEN DER BIOLOGISCHEN METHANISIERUNG . 182
4.4.3.2.6.1 WASSERSTOFFERZEUGUNG AUS ELEKTRISCHEM
STROM 183
4.4.3.2.6.2 BIOLOGISCHE METHANISIERUNG 183
4.4.3.2.6.3 WASSERSTOFF UND CO^-ABTRENNUNG 184
4.4.3.2.6.4 ANNAHMEN FUER DIE BERECHNUNG DER
PRODUKTIONSKOSTEN 184
4.4.3.2.6.5 ERMITTLUNG DER PRODUKTIONSKOSTEN 185
4.4.3.2.7 ZUSAMMENFASSENDE BETRACHTUNG DER BIOLOGISCHEN
METHANISIERUNG 186
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
4.5 GEMISCHE AUS METHAN UND WASSERSTOFF 187
4.6 GESAMTSYSTEMVERGLEICH: MOBILITAET MIT METHAN IM VERGLEICH ZU ANDEREN
ANTRIEBSKONZEPTEN UND ENERGIETRAEGERN 200
4.6.1 SWOT-ANALYSE METHAN ALS KRAFTSTOFF 200
4.6.2 KRITERIEN ZUR BEWERTUNG UNTERSCHIEDLICHER ANTRIEBE 201
4.6.3 STRASSENMOBILITAET MIT REGENERATIVER ENERGIE: DAS CNG-FAHRZEUG IN
KOMBINATION MIT ERNEUERBAREM METHAN AUS POWER-TO-GAS-ANLAGEN
ALS BENCHMARK 204
4.6.3.1 DER VERGLEICH ZUM BATTERIE-ELEKTROFAHRZEUG (BEV) 206
4.6.3.2 DER VERGLEICH ZUM BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG (FCEV) 209
4.6.4 ZUSAMMENFASSUNG, AUSBLICK UND MOEGLICHE SYNERGIEN 216
5 FAHRZEUGENTWICKLUNG FUER ERDGAS UND ERNEUERBARES METHAN 233
5.1 ERDGASSPEICHER-UND HANDLINGSYSTEME 233
5.1.1 SYSTEMUEBERSICHT UND GESETZLICHE ANFORDERUNGEN 234
5.1.2 SYSTEMKOMPONENTEN 237
5.1.2.1 FUELLANSCHLUSS 237
5.1.2.2 HOCHDRUCKLEITUNGEN UND-VERBINDER 238
5.1.2.3 TANKVENTIL 238
5.1.2.4 TANK 240
5.1.2.5 THERMISCHE SICHERUNG (T-PRD) 246
5.1.2.6 DRUCKREGLER 247
5.1.2.7 FILTER-UND OELABSCHEIDER 248
5.1.2.8 NIEDERDRUCKLEITUNGEN 249
5.1.3 FAHRZEUG-INTEGRATION 250
5.1.3.1 PACKAGING 250
5.1.3.2 CRASH-SICHERHEIT 250
5.1.3.3 BRANDABSICHERUNG 254
5.1.3.3.1 LOKALE BRANDLAST 254
5.1.3.3.2 GESAMTFAHRZEUGBRAND 258
5.1.3.4 KORROSIONSSCHUTZ 259
5.1.3.5 STEUERUNG, REGELUNG UND DIAGNOSEN DES ERDGASSYSTEMS 264
5.2 PKW-OTTOMOTOREN FUER ERDGAS 267
5.2.1 BIVALENTE UND MONOVALENTE SYSTEME 267
5.2.2 THERMODYNAMIK 275
5.2.2.1 GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMIK FUER
VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN 275
5.2.2.2 PRIMAERE EINFLUESSE DES ERDGASBETRIEBS 275
5.2.2.2.1 IDEALER VERGLEICHSPROZESS 276
5.2.2.2.2 VOLLKOMMENER MOTOR 279
5.2.2.2.3 REALE PROZESSRECHNUNG 281
INHALTSVERZEICHNIS XV
5.2.2.3 SEKUNDAERE EINFLUESSE DES ERDGASBETRIEBS 285
5.2.2.3.1 VERDICHTUNGSVERHAELTNIS 285
5.2.2.3.2 SCHWERPUNKTLAGE 286
5.2.2.3.3 SPITZENDRUCK 287
5.2.2.3.4 ABGASTEMPERATUR 290
5.2.2.3.5 GEMISCHBILDUNG 292
5.2.2.4 SIMULATION VON GASMOTOREN 294
5.2.2.5 GESAMTBETRACHTUNG 297
5.2.3 GEMISCHBILDUNG UND MOTORSTEUERUNG 298
5.2.3.1 GEMISCHBILDUNG 298
5.2.3.1.1 EINLEITUNG 298
5.2.3.1.2 KOMPONENTEN ZUR EINBLASUNG VON ERDGAS 298
5.2.3.1.3 GEMISCHBILDUNG BEI SAUGROHREINBLASUNG 300
5.2.3.1.4 GEMISCHBILDUNG BEI ERDGAS-DIREKTEINBLASUNG 303
5.2.3.1.5 MOTORISCHER VERGLEICH VON GEMISCHBILDUNGSVERFAHREN 304
5.2.3.2 BIFUEL-MOTORSTEUERUNG 307
5.2.3.2.1 EINLEITUNG 307
5.2.3.2.2 FUNKTIONEN DES MOTORSTEUERGERAETS 307
5.2.4 ZUENDUNG 311
5.2.4.1 EINLEITUNG: ANFORDERUNG AN DIE ZUENDSYSTEME IM ERDGASBETRIEB 311
5.2.4.2 EINTEILUNG DER ZUENDSYSTEME FUER GASMOTOREN 312
5.2.4.3 FUNKTION UND AUFBAU VERSCHIEDENER ZUENDSYSTEME 314
5.2.4.4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 322
5.2.5 AUFLADUNG FUER ERDGASBETRIEB 322
5.2.5.1 EINLEITUNG: KRAFTSTOFFEIGENSCHAFTEN - AUSWIRKUNGEN AUF
BRENNVERFAHREN 322
5.2.5.2 TURBOLADERAUSLEGUNG FUER DEN GASBETRIEB 323
5.2.5.3 WERKSTOFFE 332
5.2.5.4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 332
5.2.6 C0
2
UND WIRKUNGSGRADE 333
5.2.6.1 STOFFEIGENSCHAFTEN 335
5.2.6.2 THERMODYNAMIK UND BRENNVERFAHREN 337
5.2.6.3 KLOPFFESTIGKEIT 339
5.2.6.4 DOWNSIZING UND DOWNSPEEDING 341
5.2.7 ABGASEMISSIONEN, KALTSTART UND WARMLAUF 344
5.2.7.1 ABGASKATALYSATOR UND ABGASNACHBEHANDLUNG 345
5.2.7.2 SCHADEMISSIONEN UND ABGASTEMPERATUR 347
5.2.7.3 HC-EMISSION 347
5.2.7.4 NO
X
-EMISSION 348
5.2.7.5 ABGASTEMPERATUR 350
5.2.7.6 KALTSTART UND KATALYSATORHEIZEN 350
5.2.7.7 PARTIKEL 352
XVI
INHALTSVERZEICHNIS
5.2.8 THERMISCHE UND MECHANISCHE BEANSPRUCHUNG VON PKW-MOTOREN
FUER ERDGAS 353
5.2.8.1 STATIONAERE UND MOBILE EINSATZBEREICHE VON GASMOTOREN 353
5.2.8.2 PKVV-MOTORENKONZEPTE FUER ERDGAS 355
5.2.8.3 EINFLUSS DER KRAFTSTOFFQUALITAET 355
5.2.8.4 BIVALENTER UND MONOVALENTER BETRIEB 356
5.2.8.5 NACHTRAEGLICHE UMRUESTUNG VON PKW-SERIENMOTOREN
AUF ERDGASBETRIEB 357
5.2.8.6 VERAENDERTE BETRIEBSBEDINGUNGEN BEI ERDGASBETRIEB 357
5.2.8.7 AUS VERSCHAERFTEN BETRIEBSBEDINGUNGEN RESULTIERENDE THERMISCHE
UND MECHANISCHE BEANSPRUCHUNG 358
5.2.8.7.1 THERMISCHE BEANSPRUCHUNG 358
5.2.8.7.2 MECHANISCHE BEANSPRUCHUNG 361
5.2.8.8 BEANSPRUCHUNGSGERECHTE AUSLEGUNG DES PKW-OTTOMOTORS FUER
ERDGASBETRIEB 363
5.2.9 AKUSTIK VON ERDGASFAHRZEUGEN 384
5.2.9.1 ERDGASMOTOREN 384
5.2.9.2 VERBRENNUNGSGERAEUSCH 387
5.2.9.3 AUFLADE- UND LADELUFTSYSTEM 391
5.2.9.4 INJEKTORGERAEUSCHE 392
5.2.9.5 GESAMTFAHRZEUG 395
5.3 MOTORKONZEPTE FUER LKW 397
5.3.1 EINLEITUNG 397
5.3.2 THERMODYNAMISCHE GRUNDLAGEN 400
5.3.2.1 VOLLLASTPOTENZIAL 400
5.3.2.2 WIRKUNGSGRAD 401
5.3.2.3 ANALYSE DER EMISSIONEN 405
5.3.2.4 LNG-TANKTECHNOLOGIE 407
5.3.3 ERDGASMOTOREN MIT FREMDZUENDUNG 410
5.3.3.1 GEMISCHBILDUNGEN 411
5.3.3.2 ZUENDUNG 414
5.3.3.3 VERBRENNUNG UND ABGASNACHBEHANDLUNG 415
5.3.4 ERDGASMOTOREN MIT SELBSTZUENDUNG 418
5.3.4.1 DUAL-FUEL-MOTORKONZEPT 419
5.3.4.2 HOCHDRUCK-GASDIREKTEINBLASUNG 420
5.3.5 SONDERVERFAHREN 422
5.4 HYBRIDISIERUNG BEIM PKW 424
5.4.1 ALLGEMEINE C0
2
-POTENZIALE 425
5.4.2 HYBRIDSPEZIFISCHE MOTORMODIFIKATIONEN 427
5.4.3 SCHADSTOFFEMISSIONEN UND KALTSTART 429
5.4.4 AUSGEFUEHRTE BEISPIELE 432
5.4.5 ZUSAMMENFASSUNG 433
INHALTSVERZEICHNIS XVII
5.5 DER MARKT FUER DEN KRAFTSTOFF ERDGAS 434
5.5.1 ERDGAS ALS KRAFTSTOFF: VORTEILE UND MARKTENTWICKLUNG
TANKSTELLENNETZ . 434
5.5.1.1 VORTEILE VON ERDGAS ALS KRAFTSTOFF 435
5.5.1.2 MARKTENTWICKLUNG ERDGASTANKSTELLEN 436
5.5.2 BUSINESSCASE ERDGASTANKSTELLE: MARKTHINDERNISSE UND CHANCEN 438
5.5.2.1 AUFBAU UND FUNKTION VON ERDGASTANKSTELLEN 438
5.5.2.2 GESCHAEFTSMODELL ERDGASTANKSTELLENBETRIEB 442
5.5.2.3 MARKTHINDERNISSE IN DEUTSCHLAND 443
5.5.2.4 CHANCEN 447
5.5.3 ERDGASMOBILITAET WELTWEIT - AUSGEWAEHLTE MAERKTE 450
5.5.3.1 ITALIEN 450
5.5.3.2 SCHWEDEN 450
5.5.3.3 FRANKREICH 451
5.5.3.4 IRAN 451
5.5.3.5 ARGENTINIEN 452
5.5.3.6 RUSSLAND 452
5.5.3.7 USA 453
5.5.3.8 CHINA 454
6 OFF-HIGHWAY-GASMOTOREN 465
6.1 GROSSGASMOTOREN FUER INDUSTRIELLE UND MARITIME ANWENDUNGEN 465
6.1.1 EINSATZBEREICHE 465
6.1.2 EMISSIONSGESETZGEBUNG UND KRAFTSTOFFPREISE 466
6.1.3 GASMOTOREN IN DER SCHIFFFAHRT 468
6.1.4 GASMOTOREN FUER LOKOMOTIVANTRIEBE 469
6.2 GEMISCHBILDUNG UND VERBRENNUNG BEI GROSSGASMOTOREN 469
6.2.1 EINLEITUNG 469
6.2.2 AUFLADUNG UND LADUNGSWECHSEL 470
6.2.3 GEMISCHBILDUNG 471
6.2.4 BRENNVERFAHREN 473
6.2.5 REGELUNG 475
6.3 EINSATZ VON SONDERGASEN IN KRAFTWERKSMOTOREN 475
6.3.1 EINLEITUNG 475
6.3.2 GASARTEN 476
6.3.3 NUTZUNG 478
7 AUSBLICK 485
SACHWORTVERZEICHNIS 489 |
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