Forschung – energieRUNDSCHAU

Der doppelte Nutzen von Biotreibstoffen

Schweizer Fachmedien GmbH — Fri, 10 Dec 2021 06:15:00 +0000

Wer Diesel oder Benzin tankt, weiss mitunter gar nicht, dass darin Biotreibstoff enthalten ist. Denn geringe Beimischungen müssen nicht ausgewiesen werden. Biogene Treibstoffe machen in der Schweiz fast sieben Prozent (Diesel) bzw. annähernd drei Prozent (Benzin) des verkauften Treibstoffs aus. Sie könnten in den nächsten Jahren einen wachsenden Beitrag zur Reduktion der Treibhausgas-Emissionen im Mobilitätssektor leisten. Dies dank ihrer biogenen Herkunft, aber auch dank Effizienzsteigerungen in angepassten Motoren. Das zeigt ein Team aus Forschenden der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ) und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in einer neuen Studie.

Da Biotreibstoffe weniger Russ verursachen, beanspruchen sie den Russpartikelfilter weniger. Die so eingesparte Energie lässt sich in Effizienzgewinne zugunsten der Antriebsenergie umwandeln. Diese betragen je nach Treibstoff bzw. Treibstoffgemisch gut zwei Prozent

Das Netto-Null-Ziel des Bundesrats zur Treibhausgas-Reduktion bis ins Jahr 2050 ist nur zu erreichen, wenn der Mobilitätssektor einen massgeblichen Beitrag zur Dekarbonisierung leistet. Das bedeutet, die fossilen Energieträger Benzin und Diesel müssen durch andere Treibstoffe und Energiesysteme ersetzt werden. Dazu gehören unter anderem Treibstoffe biogenen Ursprungs. Nicht von ungefähr sind diese Treibstoffe Gegenstand der aktuellen Schweizer Verbrennungsforschung, die auf zukunftsfähige
Technologien ausgerichtet ist. Wie solche Forschung aussehen kann, zeigt das Beispiel des ehemaligen ETH-Forschers Dr. Christophe Barro.

Der ausgebildete Maschinenbauingenieur hat mit einem ETH-Kollegen das Start-up Vir2sense (Baar / ZG) gegründet. Das Jungunternehmen widmet sich der Modellierung des Verbrauchs und der Schadstoffemissionen von Grossmotoren. Denn anders als bei Personenwagen, wo mit dem Elektroantrieb eine ernsthafte Alternative verfügbar ist, sind fossile Motoren in der Schifffahrt oder bei Baumaschinen, aber auch beispielsweise bei mobilen Stromaggregaten etwa für Open-Air- Konzerte oder die Notstromversorgung, weiterhin gefragt. «Die Technologie des Verbrennungsmotors wird uns auf absehbare Zeit weiter begleiten, wir müssen hier ökologisch und auch wirtschaftlich bestmögliche Lösungen finden », sagt Christophe Barro.

Bei den reinen Biotreibstoffen (HVO, R100) fällt die zusätzliche CO2-Einsparung aufgrund des Effizienzgewinns kaum ins Gewicht. Anders ist das bei den Treibstoffgemischen, die nur einen Anteil an Biotreibstoffen enthalten (HVO20, OME7).

BIOTREIBSTOFFE WIE HVO UND OME
In diese Richtung weist ein vom BFE unterstütztes Forschungsprojekt, das Barro im Frühjahr 2021 an der ETH abgeschlossen hat. Darin untersuchte ein Team aus Forschenden von ETH und Empa den Einsatz von Biotreibstoffen. Diese Treibstoffe werden aus Biomasse hergestellt – in der Schweiz sind das vorrangig biogene Abfälle und Produktionsrückstände, weltweit aber auch Öl-, Zucker- und Stärkepflanzen. Ihre Verbrennung produziert nur so viele Treibhausgase, wie beim Wachstum der Biomasse durch die Pflanzen aufgenommen wurde. Biotreibstoffe werden in der Schweiz Diesel und Benzin beigemischt, in gasbetriebenen Autos eingesetzt (Biomethan) und von Bauern in Traktoren verwendet (vor allem Rapsöl). Gemäss dem Verband Biofuels Schweiz machten 2019 biogene Treibstoffe 6.7 Prozent am landesweiten Dieselverbrauch aus, 2.6 Prozent am Benzinverbrauch.

Wo Biotreibstoffe heute und in Zukunft zur Anwendung kommen, sollen sie mit bestmöglicher Effizienz eingesetzt werden. Zu diesem Zweck haben die Forschenden von ETH Zürich und Empa das Potenzial zur CO2-Minderung von zwei Biotreibstoffen für Dieselmotoren untersucht: Der eine besteht aus hydriertem Pflanzenöl und ist bekannt unter dem Kürzel HVO (für engl. ‹Hydrotreated Vegetable Oil›). HVO kann aus verschiedenen Ausgangsstoffen und mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. Das Zürcher Forscherteam nutzte HVO des finnischen Unternehmens Neste Oil, das HVO fast ausschliesslich aus Pflanzenölen und fetthaltigen Abfallstoffen produziert. Der zweite untersuchte Treibstoff ist OME (kurz für: Polyoxymethylendimethylether). Wird OME aus Biomasse hergestellt, was eines von mehreren Herstellungsverfahren ist, handelt es sich ebenfalls um einen Biotreibstoff.

WENIGER RUSS, HÖHERE ANTRIEBSENERGIE
Das Forscherteam hat diese zwei Biotreibstoffe in verschiedenen Treibstoffgemischen untersucht und dabei gezeigt, dass Biotreibstoffe die CO2-Bilanz um rund 90 Prozent verbessern (vgl. Grafik 01). Dass es nicht 100 Prozent sind, liegt daran, dass bei Produktion und Transport von HVO
ebenfalls Treibhausgas-Emissionen entstehen. Nach Einschätzung von Christophe Barro hat besonders HVO das Potenzial, einen Beitrag zur Erreichung des Netto-Null-Ziels an Treibhausgasemissionen bis 2050 zu leisten. Auf HVO basiert der in der Schweiz erhältliche C.A.R.E.- Diesel. Skeptischer ist Barro bei OME, weil dieser Treibstoff bei der Herstellung relativ viel Energie braucht. Der Vorzug von OME ist seine hohe Dichte: OME kann mit HVO und einem Stabilisator zum Biotreibstoff R100 vermischt werden. Dieser genügt – anders als HVO für sich genommen – den gesetzlichen Anforderungen an die Dichte von Diesel. Die Forscherinnen und Forscher von ETHZ und Empa haben in ihrem Projekt auch untersucht, wie ein Maximum an Antriebsenergie aus den Biotreibstoffen herausgeholt werden kann, also wie sich mit ihnen maximale Effizienzgewinne erzielen lassen. Hintergrund dieses Forschungsansatzes ist der Umstand, dass mit Biotreibstoffen betriebene Dieselfahrzeuge weniger Energie für die Regeneration des Russpartikelfilters brauchen, da Biotreibstoffe weniger ringförmige Kohlenwasserstoff- Verbindungen enthalten als Dieselkraftstoff und somit weniger Russ produzieren. Wird die Software des Motors richtig eingestellt, kann man die Einsparungen beim Partikelfilter in zusätzliche Antriebsenergie ummünzen. Die so erzielten Effizienzgewinne betragen im günstigen Fall gut zwei Prozent (vgl. Grafik 02).

Blick auf den (inzwischen abgebauten) Motorenprüfstand in der Maschinenhalle der ETH Zürich. Hier wurden Untersuchungen für das Forschungsprojekt ReVerDi zur Effizienz von Biotreibstoffen durchgeführt.

TREIBSTOFF OPTIMAL EINSETZEN
Interessanterweise lässt sich dieser Effizienzgewinn nicht nur ernten, wenn ein Fahrzeug ausschliesslich mit Biotreibstoff befüllt wird, sondern auch, wenn der Biotreibstoff nur anteilig im Treibstoffgemisch enthalten ist. Der erzielbare Effizienzgewinn ist stark von der Motorkonfiguration abhängig (beispielsweise Hoch- oder Niederdruckabgasrückführung, Volumenstrom in der Abgasnachbehandlung). Da viele relevante Effekte nicht linear sind, machen sich die Vorteile von Biotreibstoffen in einigen Fällen schon bei einer geringen Beimischung bemerkbar. Die praktische Bedeutung dieses Ergebnisses beschreibt Christophe Barro so: «In gewissen Motorkonfigurationen erzielt man insgesamt einen höheren Effizienzgewinn, wenn man fünf Fahrzeuge mit einem Gemisch aus 80 Prozent Diesel und 20 Prozent HVO betankt, als wenn man ein Fahrzeug mit 100 Prozent HVO betankt und die anderen vier mit reinem Diesel. Mit der von uns entwickelten Simulationsplattform findet man sehr schnell heraus, wie man einen bestimmten Biotreibstoff optimal einsetzt.»

Die Effizienzgewinne aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Biotreibstoffe ermöglichen eine CO2-Minderung, denn aus einem Joule – der Energiemenge – Treibstoff resultiert eine grössere Fahrleistung als bei Diesel. Diese CO2-Minderung ist allerdings eher gering, wenn man sie in einen Vergleich setzt zur CO2-Minderung aufgrund der biogenen Herkunft des Treibstoffs (vgl. Grafik 03).

MESSUNGEN AM ETHZ-PRÜFSTAND
Die Motorenversuche und Treibstofftests fanden unter anderem an einem Prüfstand der ETH Zürich statt. Diesem liegt ein Ein- Zylinder-Dieselmotor mit vier Liter Hubraum zugrunde, also ein leistungsstarker Heavy-Duty-Motor, wie er typischerweise in einer Fähre mit sechs bis 16 Zylindern zum Einsatz kommt. Die Messungen wurden ergänzt durch Simulationen eines Motors mit 12 Liter Hubraum, wie er etwa in einem Lkw oder einer Baumaschine verbaut ist.

Die Ergebnisse des ReVerDi-Projekts sind von grundlegender Bedeutung für die Dekarbonisierung des Mobilitätssektors, wie Dr. Luca Castiglioni, verantwortlich für das BFE-Forschungsprogramm Mobilität, sagt: «Biogene Treibstoffe wie OME oder HVO können zu einem viel grösseren Prozentsatz
Benzin und Diesel zugemischt werden, als dies heute der Fall ist, und dies ohne Einbussen bei der Leistung und mit einer deutlichen Reduktion der CO2-Emissionen. Da solche Mischungen auch bei konventionellen Pkw- und Lkw-Motoren eingesetzt werden können, erlauben sie auch schnelle CO2-Minderungen im aktuellen Fahrzeugpark.»

Die Empa hat im Projekt ReVerDi den Aspekt der Abgasnachbehandlung erforscht. Im Bild: Versuchsanordnung zur Untersuchung der Regeneration des Dieselpartikelfilters.

VIER PROJEKTPARTNER
Die Forschungsarbeiten zum Projekt ReVerDi beruhen unter anderem auf den Vorarbeiten des Projekts NextICE, in dem ebenfalls ein Forscherteam aus ETHZ und Empa den Einsatz von biogenen und mit regenerativem Strom synthetisch hergestellten Treibstoffren (e-fuels) in Verbrennungsmotoren untersucht hatte (vgl. BFE-Fachartikel ‹Ein Motor gemacht für erneuerbare Treibstoffe›, abrufbar unter: https://pubdb.bfe.admin.ch/de/publication/download/9725).
Die Empa fokussierte im vorliegenden Projekt ihre Arbeiten auf den Bereich Abgasnachbehandlung, die Jungunternehmen Vir2sense und Combustion and Flow Solutions GmbH (Zürich) steuerten Modellierungen bei. Im Zuge von ReVerDi wurde unter anderem ein modulares Simulationssystem entwickelt, um die Optimierung von Motor und Abgasnachbehandlung mit unterschiedlicher Komponentenanordnung und verschiedenen Kraftstoffen zu ermöglichen. BV

HINWEISE
Den Schlussbericht (in Englisch) zum BFE-Forschungsprojekt ‹Platform to reduce fuel consumption and CO2 emissions of diesel power units using optimized operation and alternative fuels› (ReVerDi) finden Sie unter: www.aramis.admin.ch/Grunddaten/?ProjectID=41489
Auskünfte zu dem Projekt erteilt Dr. Luca Castiglioni (luca.castiglioni@bfe.admin.ch),
Leiter des BFE-Forschungsprogramms Mobilität. Weitere Fachbeiträge über Forschungs-, Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekte im Bereich Mobilität finden Sie online auf der Internetseite des BFE unter
www.bfe.admin.ch/ec-mobilitaet.

Was von der Wintersonne an Wärme übrig bleibt

Schweizer Fachmedien GmbH — Fri, 17 May 2019 06:00:34 +0000

Grosse Fensterflächen versorgen Wohn- und Büroräume mit Licht und Wärme. Doch nicht immer ist die Sonne willkommen, beispielsweise wenn sie im Winter tief steht und unangenehm blendet. Dann werden gern Rafflamellen, Rollläden oder ein anderer Typ von Sonnenschutz eingesetzt. Sie halten die Wintersonne fern, verringern gleichzeitig aber auch den Wärmeeintrag ins Gebäude. Eine Studie im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE) hat den letztgenannten Effekt nun quantifiziert – mit teilweise überraschenden Ergebnissen. Die Forscher raten, dem Sonnen schutz bei der Berechnung des Heizwärmebedarfs vermehrt Beachtung zu schenken.

Grosse Fenster sind beliebt. Sie schaffen helle Räume und bringen den Garten und die natürliche Umgebung quasi in die Wohnung. Grosse Fenster haben auch energetische Vorzüge. Sie erlauben gerade im Winter und in der Übergangszeit die Nutzung der in der Sonnenstrahlung enthaltenen Wärme. So erstaunt es nicht, nimmt die Fensterfläche bei Ge
bäuden tendenziell zu. Lag der Glasanteil an der Fassade bis in die 1960er Jahre gewöhnlich in der Grössenordnung von 15 bis 20 %, erreicht er bei modernen Wohn- und Bürogebäuden 40 bis 60 %, in ausgewählten Gebäuden liegt er teilweise noch höher. Passivhaus-Architekten streben danach, mit ihren Gebäudeentwürfen die solaren Wärmegewinne zu maximieren.

Der solare Wärmeeintrag ist ein wichtiger Faktor bei der Planung eines Gebäudes. Er vermindert den Bedarf an Wärme, der mit der Heizung erzeugt werden muss, um in den Räumen jederzeit eine behagliche Temperatur sicherzustellen. Nach der einschlägigen Planungsnorm (SIA-Norm 380 / 1) beachten Bauphysiker und Gebäudetechnikplaner heute nicht nur die Grösse der Fensterflächen. Sie berücksichtigen bei ihren Berechnungen des Heizwärmebedarfs auch Hindernisse, die die Sonneneinstrahlung einschränken, etwa Nachbargebäude oder hervorstehende Balkone. «Heute werden in der Berechnung der Heizwärmebedarfs allerdings nur fixe Verschattungselemente berücksichtigt, nicht aber Rollläden, Rafflamellen, Sonnenstoren (Markisen) oder Klappläden, die ebenfalls eine Verminderung des Solareintrags nach sich ziehen», sagt Martin Ménard, diplomierter Maschineningenieur ETH SIA und Partner der Gebäudeberatungsfirma Lemon Consult AG (Zürich).

Sonnenschutz erhöht Heizwärmebedarf
Vor diesem Hintergrund führte ein Forscherteam von Lemon Consult seit 2016 ein Projekt durch, das quantifiziert hat, in welchem Mass Sonnenschutzsysteme den Wärmeeintrag in Wohn- und Geschäftsgebäuden vermindern – und in der Folge den Heizenergiebedarf erhöhen. Die Untersuchung wurde vom Bundesamt für Energie im Rahmen seines Forschungsprogramms «Gebäude und Städte» finanziell unterstützt.

Doch wie schafft man das Kunststück, den Einfluss von Sonnenschutzsystemen auf den Wärmeeintrag zu bestimmen? Denkbar wären ausgeklügelte Messeinrichtungen auf der Aussen- und Innenseite eines Fensters, um mit diesen den Einfluss des Sonnenschutzes auf den Wärmeeintrag ins Gebäude zu quantifizieren.

Die Forscher von Lemon Consult wählten einen anderen Weg: Ausgangspunkt ihrer Studie ist die in SIA-Norm 380/1 festgeschriebene Berechnungsmethode, mit der Planer heute routinemässig den Heizwärmebedarf von Gebäuden bestimmen. Die Forscher wollten nun wissen, wie man den auf diesem Weg errechneten Heizwärmebedarf korrigieren muss, sofern man die Verschattung durch Sonnenschutzeinrichtungen mit berücksichtigt. Vereinfacht ausgedrückt: Schliesst man bei einer Fassade mit zehn Fenstern bei vier Fenstern die Rollläden, wird der Wärmeeintrag um 40 % vermindert, von 100 auf 60 %. Der Wärmeeintrag muss also um den Verschattungsfaktor 0.6 nach unten korrigiert werden. Der um diesen Faktor verminderte Wärmeeintrag kann dann zur Berechnung des Heizwärmebedarfs herangezogen werden. Die Berücksichtigung der vom Sonnenschutz verursachten Verschattung führt dazu, dass der Heizwärmebedarf höher ausfällt als mit der heutigen Berechnungsmethode, die die Verschattung durch Sonnenschutz ausser Acht lässt

68 Fassaden eine Heizperiode lang beobachte
Die Forscher von Lemon Consult wollten nun wissen, wie gross der Verschattungsfaktor aufgrund von Sonnenschutzeinrichtungen in der Realität ist. Sie wählten 36 Wohn- und 32 Bürogebäude und fotografierten deren Fassaden während des Winterhalbjahres (von Oktober 2016 bis
April 2017) an 49 ausgewählten Tagen jeweils um 9, 12 und 15 Uhr. Auf Grundlage der Fotos bestimmten sie für jeden dieser 147 Zeitpunkte, welcher Anteil der Fensterfläche durch einen Sonnenschutz verdeckt war. Daraus resultierte ein provisorischer Wert für die Verschattung, der noch korrigiert werden musste, da ein Sonnenschutz den Wärmeeintrag a) nicht ganz, sondern nur teilweise verhindert und b) die Anzahl Stunden mit direkter Solarstrahlung höher zu gewichten sind als jene mit nur diffusem Sonnenlicht. Mit den entsprechenden Korrekturen gelangten die Forscher zu dem Befund, dass die Sonnenschutzeinrichtungen den solaren Wärmeeintrag durchschnittlich um rund 10 bis 40 % verminderten. Dies entspricht einem «gewichteten Verschattungsfaktor Sonnenschutz» von 0.9 bis 0.6. Die Grösse des Verschattungsfaktors hängt dabei unter anderem vom Glasanteil der Fassade und der Steuerung (manuell / automatisch) ab (vgl. Foto Seite13 unten).

Mit der Bestimmung des «gewichteten Verschattungsfaktors Sonnenschutz» haben die Wissenschaftler die Voraussetzung geschaffen, um die zentrale Frage zu beantworten, wie stark der Einbezug des Sonnenschutzes den Heizenergiebedarf erhöht. Sie nutzten den Verschattungsfaktor, um exemplarisch den Heizenergiebedarf für 48 Wohn- und Bürogebäude zu berechnen, die nach 2008 erbaut bzw. erneuert wurden und damit den aktuellen Anforderungen bezüglich Energieverbrauch genügen (MuKEn-Standard 2008 oder besser). Diese Berechnungen zeigten: Berücksichtigt man die Verminderung des solaren Wärmeeintrags im Winterhalbjahr aufgrund des Sonnenschutzes, erhöht sich der jährliche Heizwärmebedarf um 6 bis 18 %. Diese Ergebnisse haben Martin Ménard überrascht: «Wir hatten im Vorfeld der Studie mit einem deutlich höheren Anstieg in der Grössenordnung von 40 bis 50 % gerechnet. Vor diesem Hintergrund erachten wir den tatsächlich errechneten Anstieg als relativ gering.» Zwar erscheint eine Zunahme um 6 bis 18 % auf den ersten Blick als nicht unbedeutend. Aber die relative Zunahme fällt nur deshalb so hoch aus, weil der Heizenergiebedarf der betrachteten Gebäude schon sehr tief ist. In absoluten Zahlen ausgedrückt steigt der jährliche Heizwärmebedarf bei Einbezug des Sonnenschutzes um lediglich 1 bis 4 kWh / m2.

Überarbeitung der SIA-Norm 380/1 angeregt
Gebäudeexperten haben immer wieder die Vermutung geäussert, der bei vielen Gebäuden zwischen Planung und Betrieb festgestellte Unterschied beim Energieverbrauch («performance gap») sei unter anderem dadurch zu erklären, dass die in der SIA-Norm 380 / 1 enthaltene Berechnung des Heizenergiebedarfs die solaren Wärmegewinne überschätze, weil die beweglichen Sonnenschutzsysteme nicht einbezogen würden. «Diese Vermutung wird durch die Ergebnisse unserer Studie nun doch etwas relativiert», sagt Martin Ménard. Der Gebäudeforscher weist gleichzeitig darauf hin, dass der Sonnenschutz bei ausgewählten Objekten sehr wohl einen er heblichen Einfluss haben könne. So etwa bei Passivsolarhäusern mit sehr tiefem Heizwärmebedarf und sehr hohen solaren Wärmegewinnen. Hier kann ein auto matischer Sonnensschutz im Extremfall den Heizwärmebedarf um mehr als 100 % erhöhen, wie das Team um Ménard errechnet hat. «Daher wird vorgeschlagen, im Berechnungsmodell SIA 380 / 1 zukünftig Verschattungsfaktoren für den Sonnenschutz einzuführen», schreiben die Wissenschaftler in den Schlussfolgerungen ihrer Studie.

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