CUMMINS: Wie unterscheiden sich Abgasnachbehandlungssysteme zwischen Wasserstoff- und Dieselmotoren?

Da Flotten an der Reduzierung von Emissionen arbeiten, ist es von entscheidender Bedeutung, die Unterschiede bei den Abgasnachbehandlungssystemen für verschiedene Kraftstoffarten zu verstehen. Die Einführung und das Wachstum von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren (ICE) ist ein wichtiger Schritt, da Wasserstoff-Verbrennungsmotoren eine emissions- und kohlenstoffarme Option für einen nachhaltigeren Verkehrssektor darstellen. Die Mechanismen, die die Abgase in diesen Motoren reinigen, sind im Wesentlichen die gleichen wie bei Diesel-ICE, mit dem Hauptunterschied, was sich zunächst im Abgas befindet.

Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten Unterschieden zwischen Abgasnachbehandlungssystemen für Diesel- und Wasserstoffmotoren und liefert wichtige Erkenntnisse für Flotten, die diesen Wandel bewältigen.

Wie funktioniert das Abgasnachbehandlungssystem bei Dieselmotoren?
Abgasnachbehandlungssysteme für Dieselmotoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Emissionen von Dieselmotoren. Diese Systeme wirken wie ein Filter für die Abgase und sorgen dafür, dass schädliche Schadstoffe in harmlose Stoffe umgewandelt werden, bevor sie in die Luft abgegeben werden. Abgasnachbehandlungssysteme finden Sie in jeder dieselbetriebenen Anwendung.

Bei der Dieselnachbehandlung werden Technologien wie Dieselpartikelfilter (DPFs) und selektive katalytische Reduktionseinheiten (SCR) zur Filterung von Abgasen eingesetzt. DPFs fangen Rußpartikel direkt aus dem Abgas auf, während SCR-Geräte eine Lösung auf Harnstoffbasis verwenden, um Stickoxide in Stickstoff und Wasser umzuwandeln.

Interessanterweise erfordern nicht alle Anwendungen Abgasnachbehandlungssysteme. So sind beispielsweise Notstromaggregate in Nordamerika aufgrund ihrer spezifischen Anwendungsfälle ausgenommen.
Dies gilt zwar für die Industrieländer, aber es gibt viele Regionen weltweit, die bei den Emissionsanforderungen, die den Bedarf an Abgasnachbehandlungssystemen erhöhen würden, noch hinterherhinken.

Durch die Integration fortschrittlicher Abgasnachbehandlungstechnologien können Dieselmotoren weiterhin die Effizienz und Leistung bieten, für die sie bekannt sind, und gleichzeitig ihren ökologischen Fußabdruck erheblich verringern. Es ist ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Verantwortung, das sicherstellt, dass Dieselmotoren die heutigen Emissionsstandards erfüllen und zu einer saubereren Umwelt beitragen können.

Entwicklungen bei Nachbehandlungssystemen für Dieselmotoren
Die Abgasnachbehandlungssysteme für Dieselmotoren haben sich im Laufe der Jahre erheblich weiterentwickelt und an die strengen Emissionsstandards in verschiedenen Regionen angepasst. In Nordamerika werden Diesel-Oxidationskatalysatoren (DOC) je nach Motorenhersteller seit den 1990er Jahren eingesetzt. Die Aufgabe des DOC besteht darin, den chemischen Prozess in Gang zu setzen, der Schadstoffe im Abgasstrom abbaut und für die weitere Behandlung vorbereitet.

Im Jahr 2007 wurden Dieselpartikelfilter (DPF) eingeführt, die ein komplexeres System mit sich brachten, das von einem passiven in einen aktiven Zustand überging, wobei letzterer einen regelmäßigen Eingriff erforderte, um angesammelte Partikel zu verbrennen. Weitere Fortschritte kamen 2016 mit der Einführung von Einzelmodulprodukten, die diese Komponenten in einem kompakteren, leichteren Design unterbrachten. Diese Systeme wurden weiterentwickelt, um noch strengere Emissionsstandards zu erfüllen, und ebneten den Weg für Systeme mit extrem niedrigem NOx-Wert (Stickoxide) mit doppelter Dosierung und Heizung zur Verbesserung von Leistung und Kontrolle.

Das Diesel-Nachbehandlungssystem hat sich auf den globalen Märkten weiterentwickelt und vereint sich um Kerntechnologien, die den Umweltvorschriften und den Marktbedürfnissen gerecht werden. Infolgedessen konvergieren die einst unterschiedlichen Wege der Dieselemissionstechnologie in verschiedenen Teilen der Welt, wodurch ein standardisierterer Ansatz zur Verringerung der Umweltauswirkungen von Dieselmotoren entsteht.

Wie funktioniert das Nachbehandlungssystem bei Wasserstoff-ICE?
Das ist die Sache mit Wasserstoffmotoren: Wenn Sie Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) verbrennen, erwarten Sie im Idealfall, dass Sie nur Wasserdampf und keine NOx-Emissionen erhalten - einen schädlichen Schadstoff. Aber das ist in einer idealen Welt. Unter realen Bedingungen wird jedoch ein magerer H2 ICE neben Wasserdampf auch NOx erzeugen. Dies geschieht, weil stickstoffhaltige Luft zur Verbrennung verwendet wird. An dieser Stelle kommt das SCR-System (Selective Catalytic Reduction) ins Spiel, um die NOx-Emissionen in den Auspuffemissionen zu reduzieren.

Geringe Mengen von Kohlenwasserstoffen im Abgas, die auf den Ölverbrauch des Motors zurückzuführen sind, können in Wasserstoffverbrennungsmotoren (ICE) einen Oxidationskatalysator erforderlich machen. Bei einigen Wasserstoffanwendungen sind die Kohlenwasserstoffgehalte jedoch so niedrig, dass der Ammoniak-Schlupfkatalysator am Ende des SCR-Systems ausreichen kann, um schädliche Emissionen in harmlose umzuwandeln, wodurch ein zusätzlicher Oxidationskatalysator überflüssig wird.

Obwohl bei der Verbrennung von Wasserstoff nicht direkt CO2 entsteht, kann der Betrieb des SCR-Systems zu geringen CO2-Emissionen führen. Interessanterweise können einige Regionen, wie z. B. Europa, Wasserstoff-Verbrennungsmotoren (ICE) trotzdem als emissionsfreie Fahrzeuge einstufen. In Nordamerika debattieren die Regulierungsbehörden noch über diese Einstufung. Doch selbst mit diesen minimalen Emissionen erreichen Wasserstoff-Verbrennungsmotoren eine deutliche CO2-Reduzierung im Vergleich zu Dieselmotoren – rund 90 Prozent.

Deshalb wird Wasserstoff oft als "Brückentechnologie" bezeichnet. Es bietet die Möglichkeit, den CO2-Emissionen von Null bemerkenswert nahe zu kommen, und dient als Sprungbrett oder Brücke, je nachdem, wie die Regulierungsbehörden es betrachten. Es ist zu beachten, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) in der Regel als langfristiges, wirklich emissionsfreies Ziel angesehen werden, ihre Einführung jedoch mit höheren Investitionskosten verbunden ist.

Abgasnachbehandlungssysteme werden in dieser Übergangsphase zu einer Schlüsselkomponente für H2-Verbrennungsmotoren. Sie sorgen dafür, dass Wasserstoffmotoren die Emissionen erheblich reduzieren können, was sie zu einer praktikablen und saubereren Alternative auf dem Markt macht. Die H2ICE-Technologie ist bereit, sich mit Abgasnachbehandlungssystemen weiterzuentwickeln, und Wasserstoffmotoren können in der Tat als robuste Brücke in eine grünere Automobilzukunft dienen.

Unterschied zwischen Wasserstoff- und Diesel-Abgasnachbehandlungssystemen
Dieselmotoren erzeugen CO2, NOx und Feinstaub (PM). Abgasnachbehandlungsverfahren wie die Abgasrückführungssysteme (AGR-Systeme) senken die NOx-Emissionen, indem sie die Verbrennungstemperaturen senken. Weitere Methoden wie die selektive katalytische Reduktion (SCR) und die selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR) entfernen NOx ebenfalls aus Dieselabgasen.

Obwohl die NOx-Emissionen von Wasserstoffmotoren denen von Dieselmotoren entsprechen, gibt es wesentliche Unterschiede bei der Abgasnachbehandlung. Wasserstoffkraftstoff benötigt keinen Partikelfilter, um Ruß abzufangen. Dieser ist groß, teuer und muss gewartet werden. Stattdessen kann ein einfacherer Oxidationskatalysator verwendet werden. Die Abgasnachbehandlungssysteme für Diesel- und Wasserstoff-Verbrennungsmotoren sind grundsätzlich ähnlich, wobei die SCR für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren die gleiche Diesel-Abgasflüssigkeit wie Dieselmotoren verwendet.

Wasserstoff stellt jedoch besondere Herausforderungen bei der Abgasnachbehandlung dar. Der Wassergehalt im Abgas und die Reaktion des Wasserstoffs mit bestimmten Metallen und Schweißnähten erfordern den Einsatz von Materialien, die mit Wasserstoff kompatibel sind, um die Systemintegrität zu erhalten. Wasserstoffmotoren verfügen über einen saubereren Verbrennungsprozess, wodurch Dieselpartikelfilter (DPF) überflüssig werden und das Abgasnachbehandlungssystem vereinfacht wird.

Indem wir uns auf die Magerverbrennungstechnologie und das SCR-System konzentrieren, können wir die NOx-Emissionen von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren effektiv kontrollieren und reduzieren, ohne die zusätzliche Komplexität von Diesel-Abgasnachbehandlungssystemen.

Fortschritte bei der Emissionskontrolle
Während wir uns der Umsetzung der 2027 Emissionsstandards der United States Environmental Protection Agency nähern, wird erwartet, dass zusätzliche Instrumente für das Wärmemanagement weiter verbreitet werden, möglicherweise in 2024. Diese Fortschritte zielen darauf ab, die NOx-Emissionen weiter zu reduzieren und sicherzustellen, dass Dieselmotoren die kommenden strengen Standards erfüllen können.

Der Ansatz zur Emissionskontrolle unterscheidet sich aufgrund unterschiedlicher Markttreiber leicht zwischen Europa und Nordamerika. In Europa liegt das Hauptaugenmerk traditionell auf der Kontrolle der NOx-Emissionen, wobei der Schwerpunkt auf dem Kraftstoffverbrauch liegt. In einigen Regionen kann eine Partikelzahlkontrolle mit Filtern erforderlich sein, während in anderen Regionen eine grundlegende Filtration erforderlich ist, um die Partikelgrößenbeschränkungen einzuhalten, da Partikelfilter für die Abscheidung von Ruß nicht unerlässlich sind, wie dies in Dieselmotoren der Fall ist. Folglich werden sich die Systeme für die Wasserstoffnachbehandlung je nach Markt unterscheiden, wobei Nordamerika fortschrittlichere Technologien einsetzt, um die Vorschriften für extrem niedrige NOx-Werte zu erfüllen. Mit der Einführung der Euro-6-Vorschriften ist die Technologie zur Emissionskontrolle zwischen Nordamerika und Europa jedoch stärker aufeinander abgestimmt.

Cummins ist führend bei der Entwicklung von Technologien, die sowohl für Diesel- als auch für Wasserstoffmotoren geeignet sind. Mit der zunehmenden Reife der Wasserstofftechnologie wird der Bedarf an komplexen Abgasnachbehandlungssystemen sinken, die eine einfachere und umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Dieselmotoren bieten. Cummins ist weiterhin bestrebt, diesen Wandel anzuführen und Motorentechnologien zu entwickeln, die den Anforderungen der Zukunft gerecht werden und gleichzeitig die Umweltauswirkungen minimieren.

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