HVO-Messungen

Um das Potenzial hinsichtlich des Einsatzes der aktuell am Markt erhältlichen alternativen Kraftstoffe zu prüfen, wurden Motoren der verschiedenen Anwendungsfelder aus den Geschäftsfeldern Cargo, Regio und Fernverkehr der Deutschen Bahn umfangreichen Leistungs- und Abgasmessungen unterzogen.

DB Cargo

DB Cargo ist unter anderem im schweren Rangierdienst in Terminals, Häfen und bei Kund:innen auf konventionelle Dieselmotoren angewiesen. Dabei betreibt DB Cargo zum Beispiel Loks der Baureihe (BR) 261 mit Dieselmotoren vom Typ MTU 8V 4000 R43. Für eine Verbesserung der CO2e-Bilanz sollen diese Dieselmotoren statt mit dem herkömmlichen Diesel-Kraftstoff nach EN 590 mit HVO-Kraftstoff (Hydrogenated Vegetable Oils) nach DIN EN 15940 betrieben werden.

Um die Eignung des Dieselmotors MTU 8V 4000 R43 für einen Betrieb mit HVO-Kraftstoff zu überprüfen, wurden Prüfstandsversuche mit einem revisionierten Dieselmotor dieses Typs im Werk Bremen der DB Fahrzeuginstandhaltung durchgeführt. Dabei wurden insbesondere die Leistungscharakteristik (Volllastkurve) mit dem HVO-Kraftstoff und die dabei entstehenden Abgasemissionen untersucht.

Mit den gemessenen Werten konnte unter anderem bewertet werden, wie sich die Abgasemissionen im Vergleich zum Betrieb mit herkömmlichem Dieselkraftstoff entwickeln und ob der Dieselmotor noch ausreichend Leistung für den Betriebseinsatz bereitstellen kann.

DB Fernverkehr

DB Fernverkehr betreibt nur in Ausnahmefällen Dieselfahrzeuge (zwei Prozent der Streckenleistung) und dies nur dort, wo eine Elektrifizierung technisch und wirtschaftlich mit großen Herausforderungen verbunden ist. Eine dieser Ausnahmen ist das Sylt Shuttle, auf dem DB Fernverkehr unter anderem Loks der BR 218 mit Dieselmotoren vom Typ MTU 12V 956 TB11 einsetzt.

Um die Eignung des Dieselmotors MTU 12V 956 TB11 für einen Betrieb mit HVO-Kraftstoff zu überprüfen, wurden Prüfstandsversuche mit einem revisionierten Dieselmotor dieses Typs im Werk Bremen der DB Fahrzeuginstandhaltung durchgeführt. Dabei wurde insbesondere die Leistungscharakteristik (Volllastkurve) mit dem HVO-Kraftstoff und die dabei entstehenden Abgasemissionen untersucht.

Mit den gemessenen Werten konnte unter anderem bewertet werden, wie sich die Abgasemissionen im Vergleich zum Betrieb mit herkömmlichem Dieselkraftstoff entwickeln und ob der Dieselmotor noch ausreichend Leistung für den Betriebseinsatz bereitstellen kann.

DB Regio

DB Regio betreibt im Auftrag der Aufgabenträger der einzelnen Bundesländer Schienenpersonennahverkehr (SPNV) in ganz Deutschland. Ein kleiner Teil der Betriebsleistung wird vertragsgemäß mit Fahrzeugen durchgeführt, die einen Dieselmotor als Antriebsquelle nutzen. Auch hier bietet sich der Einsatz alternativer Kraftstoffe an.

Vor dem Einsatz von HVO in der Praxis waren Voruntersuchungen hinsichtlich Verwendbarkeit, Zuverlässigkeit und Abgasemissionen im Betrieb mit den vorhandenen Motoren zu gewinnen. Aus diesem Grund wurden 2020 nachfolgend beschriebene Prüfstandsversuche an einem häufig im Fuhrpark von DB-Regio verwendeten Motorentyp MTU 6H 1800 R82 durchgeführt. Dabei wurden insbesondere die Leistungscharakteristik (Volllastkurve) mit dem HVO-Kraftstoff und die dabei entstehenden Abgasemissionen untersucht.

Dieser Motor entstammt konstruktiv einer älteren Bauart und verfügt noch über ein nockengesteuertes Einspritzsystem (kein Common-Rail). Die Messergebnisse sind deshalb nicht unmittelbar mit denen neuster Nutzfahrzeug- und Arbeitsmaschinen-Bauarten vergleichbar, für die zum gleichen Thema umfangreiche Literatur vorliegt.

HVO-Kraftstoff

Der für den Prüfstandslauf eingesetzte synthetische Kraftstoff HVO mit der damaligen Markenbezeichnung C.A.R.E. Diesel bzw. heutigen Bezeichnung NESTE MY Renewable Diesel zählt zu den paraffinischen Kraftstoffen zertifiziert nach DIN EN 15940 und basiert auf Pflanzenölen, die über eine Hydrierung zu Kraftstoffen umgewandelt werden. Für den von der DB bezogenen HVO-Kraftstoff ist sichergestellt, dass bei der Produktion ausschließlich auf biologische Rest- und Abfallstoffe zurückgegriffen wird.

Betrachtete Dieselmotoren

Experimentell untersucht wurde eine größere Anzahl verschiedener Motoren.

Besonders bedeutende Varianten: 

DB Cargo
Dieselmotortyp: MTU 8V 4000 R43, 1.000 kW bei 1.800 min -1 
Hubraum: 38,2 l 
Verdichtungsverhältnis: 17,5

DB Fernverkehr
Dieselmotortyp: MTU 12V 956 TB11, 2.060 kW bei 1.500 min -1
Hubraum: 114,7 l
Verdichtungsverhältnis: 14

DB Regio
Dieselmotortyp: MTU 6H 1800 R82, 335 kW bei 1.800 min -1
Hubraum: 12,8 l
Verdichtungsverhältnis: 18,5

Für die Abgasmessung von Motoren außerhalb der Straßenanwendungen findet in Europa die Norm DIN ISO 8178-4 Anwendung. Bezüglich der Antriebe von Eisenbahnfahrzeugen finden hier insbesondere die Prüfzyklen "F" für Lokomotiven und "C1" Anwendung. In diesen Prüfzyklen ist beschrieben, in welchen Lastzuständen, beschrieben durch Drehmoment und Drehzahl, der Motor zu prüfen ist und mit welcher Gewichtung die Messwerte der einzelnen Punkte in die Gesamtwertung für den Zyklus einfließen muss. 

Zusätzlich ist in der Norm vorgeschrieben, unter welchen äußeren Randbedingungen die Prüfungen zu erfolgen haben - beispielsweise Druck und Temperatur der Luft im Prüfraum. Diese Bedingungen können auf den Prüfständen im Werk Bremen nicht vollumfänglich erfüllt werden, weil diese Prüfstände dafür nicht konzipiert worden sind. Insofern haben die vorliegenden Messungen nicht den Anspruch einer Zertifizierung, sondern sollen nur eine grundsätzliche Einordnung und einen Vergleich der betrachteten Kraftstoffe ermöglichen. Das Messverfahren wurde auf Basis aktuellster wissenschaftlicher Erkenntnisse ausgewählt, um die Frage zur Eignung des Kraftstoffs für den Eisenbahnbetrieb fundiert zu beantworten. 

Standardmäßig ist an den Prüfständen im Werk Bremen Messtechnik zur Bestimmung von Drehmoment, Drehzahl, Kraftstoffverbrauch, der Abgasschwärzung (SZ), sowie betriebsrelevanter Drücke und Temperaturen installiert und für diese Experimente verwendet worden.

MTU 8V 4000 R43 (DB Cargo)

Am 29. und 30. März 2022 fand der Prüfstandslauf des Dieselmotors MTU 8V 4000 R43 auf dem Prüfstand 1 der DB Fahrzeuginstandhaltung in Bremen statt (Abbildung 1). 

Zuerst wurde die Volllastkurve mit herkömmlichem Dieselkraftstoff in Schritten von 100 min-1 von Nenndrehzahl bis Leerlaufdrehzahl aufgenommen. Dabei wurden alle relevanten Prozesswerte aufgezeichnet, insbesondere der spezifische Kraftstoffverbrauch. Anhand des Drehmomentverlaufs für die Volllastkurve konnte die benötigte Zwischendrehzahl des Prüfzyklus "F" hergeleitet werden. Anschließend erfolgte die Abgasmessung durch die Fa. ZECH Umweltanalytik GmbH. Dabei wurde jeder der drei Prüfpunkte des F-Zyklus für 45 Minuten angefahren, wobei nach einer Stabilisierungszeit von 15 Minuten jeweils zwei Emissionsmessungen für die Abgasspezies NOx, HC und CO sowie Partikelmasse über ebenfalls jeweils 15 Minuten durchgeführt wurden.

Nach dem Umbau der Kraftstoffversorgung am Prüfstand auf HVO-Kraftstoff wurde erneut die Volllastkurve, nun mit HVO-Kraftstoff, in Schritten von 100 min-1 von Nenndrehzahl bis Leerlaufdrehzahl aufgenommen. Dabei wurden ebenfalls alle relevanten Prozesswerte aufgezeichnet, insbesondere der spezifische Kraftstoffverbrauch. Zum Abschluss wurde die Abgasmessung, nun mit HVO-Kraftstoff, nach dem gleichen Vorgehen wie zuvor mit Dieselkraftstoff durchgeführt.

MTU 12V 956 TB11 (DB Fernverkehr)

Am 7. September 2021 fand der Prüfstandslauf des Dieselmotors MTU 12V 956 TB11 auf dem Prüfstand 4 der DB Fahrzeuginstandhaltung in Bremen statt (Abbildung 2).

Zuerst wurde die Volllastkurve mit herkömmlichem Dieselkraftstoff in jeder der 15 Fahrstufen von Nenndrehzahl bis Leerlaufdrehzahl aufgenommen. Dabei wurden alle relevanten Prozesswerte aufgezeichnet, insbesondere der spezifische Kraftstoffverbrach.

Anhand des Drehmomentverlaufs über die Volllastkurve konnte die benötigte Zwischendrehzahl des Prüfzyklus "F" hergeleitet werden.

Anschließend erfolgte die Abgasmessung durch die Fa. ZECH Umweltanalytik GmbH. Dabei wurde jeder der drei Prüfpunkte für 45 Minuten angefahren, wobei nach einer Stabilisierungszeit von 15 Minuten jeweils zwei Messungen über ebenfalls jeweils 15 Minuten durchgeführt wurden.

Nach dem Umbau der Kraftstoffversorgung am Prüfstand auf HVO-Kraftstoff wurde erneut die Vollastkurve, nun mit HVO-Kraftstoff, in jeder der 15 Fahrstufen von Nenndrehzahl bis Leerlaufdrehzahl aufgenommen. Dabei wurden ebenfalls alle relevanten Prozesswerte aufgezeichnet, insbesondere der spezifische Kraftstoffverbrauch.

Zum Abschluss wurde die Abgasmessung, nun mit HVO-Kraftstoff, nach dem gleichen Vorgehen wie zuvor mit Dieselkraftstoff durchgeführt.

MTU 6H 1800 R82 (DB Regio)

Am 17. Mai 2020 wurden die Prüfstandsläufe des Dieselmotors MTU 6H 1800 R82 auf dem Prüfstand 5 im Werk Bremen durchgeführt (Abbildung 3).

Zusätzlich zu den Standardmessgrößen wurden für die hier berichteten Untersuchungen besondere Messtechnik aufgebaut, um die limitierten gasförmigen Abgasschadstoffe HC, CO, CO2, NO und NOx zu bestimmen. Weiterhin wurde ein Messgerät zur Partikelbestimmung installiert.

Während des Versuchslaufs wurden jeweils nacheinander alle Punkte des C1-Prüfzyklus eingestellt, die Stabilisierung der Messwerte über mehrere Minuten abgewartet und erst danach die nachstehend dargestellten Messwerte als Mittelwerte über 60 Sekunden protokolliert. Dieser Durchlauf wurde jeweils einmal mit Dieselkraftstoff nach EN 590 und einmal mit C.A.R.E. Diesel nach DIN EN 15940 durchgeführt.

MTU 8V 4000 R43 von DB Cargo

Der Vergleich der Volllastkurven beim Betrieb des Dieselmotors MTU 8V 4000 R43 mit Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt keinerlei Leistungsunterschiede (Abbildung 4). Mit beiden Kraftstoffen konnte jedoch die Nennleistung des Dieselmotors nicht vollständig angefahren werden. Dies kann unter anderem damit begründet werden, dass der Dieselmotor mit seiner Abwärme die Prüfstandszelle und damit auch die angesaugte Ladeluft stark vorerwärmt hatte. Der Dieselmotor ist trotzdem uneingeschränkt in der Kombination mit dem Turbogetriebe und der benötigten Hilfsbetriebeleistung in den Loks der BR 261 einsetzbar. 

Der Vergleich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs zeigt über die gesamte Vollastkurve einen gravimetrischen Minderverbrauch beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff (Abbildung 4).

Mit den von der Fa. ZECH Umweltanalytik GmbH übergebenen spezifischen Massenströmen der an den drei stationären Prüfpunkten gemessenen gasförmigen Emissionen und dem gemessenen Gesamtstaub wurde jeweils ein Zykluswert für die Abgasspezies NOx, HC und CO sowie Partikelmasse errechnet. Die Zykluswerte für die gasförmigen Emissionen sind in Abbildung 5 dargestellt.

Der Vergleich zwischen einem Betrieb mit Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt im Zykluswert beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff eine Reduktion der NOx-Emissionen von 23 Prozent, der CO-Emissionen von 15,3 Prozent und der HC-Emissionen von 20 Prozent.

Die Zykluswerte für den Gesamtstaub für Diesel- und HVO-Kraftstoff aus den oben genannten Messungen sind in Abbildung 6 dargestellt. 

Der Vergleich zeigt, dass der Zykluswert für die Partikelmasse im HVO-Betrieb gegenüber dem im Dieselbetrieb eine Reduktion des Gesamtstaubs von 40,7 Prozent aufweist.

MTU 12V 956 TB11 (DB Fernverkehr)

Der revisionierte Dieselmotor MTU 12V 956 TB11 (593 1180) konnte sowohl bei der Aufnahme der Volllastkurve als auch bei der Abgasmessung mit Dieselkraftstoff nicht seine volle Nennleistung von 2060 kW abgeben.

Der Vergleich der Volllastkurven beim Betrieb des Dieselmotors mit fossilem Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt zudem eine Leistungseinbuße beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff (Abbildung 7). Daher ist zu beachten, dass der Dieselmotor in der Kombination mit dem Turbogetriebe und der benötigten Hilfsbetriebeleistung im Drehzahlbereich von 1400 min-1 bis 1500 min-1 (entspricht Fahrstufe 13 bis Fahrstufe 15) nicht mehr ausreichend Leistung für die maximale Heizgeneratorleistung in den Loks der BR 218 abgeben kann (gestrichelte Linie in Abbildung 7). Abhängig von der Zugkonfiguration bzw. der benötigten Leistung auf der Zugsammelschiene kann die vom Dieselmotor abgegebene Leistung aber auch ausreichend sein.

Der Vergleich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs zeigt über die gesamte Vollastkurve einen gravimetrischen Minderverbrauch beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff (Abbildung 7).

Mit den von der Fa. ZECH Umweltanalytik GmbH übergebenen spezifischen Massenströmen der an den drei stationären Prüfpunkten gemessenen gasförmigen Emissionen und dem gemessenen Gesamtstaub wurde jeweils ein Zykluswert errechnet.

Die Zykluswerte für die gasförmigen Emissionen sind in Abbildung 8 dargestellt. Der Vergleich zwischen einem Betrieb mit Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt im Zykluswert beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff eine Reduktion der NOx-Emissionen von 6 Prozent, eine Reduktion der CO-Emissionen von 9,2 Prozent und eine Reduktion der HC-Emissionen von 6,5 Prozent (Abbildung 8).

Die Zykluswerte für den Gesamtstaub sind in Abbildung 9 dargestellt. Der Vergleich zwischen einem Betrieb mit Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt im Zykluswert beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff eine Reduktion des Gesamtstaubs von 48,8 Prozent.

Motoren von Fahrzeugen (DB Regio)

Der Vergleich des oberen Bereichs der Volllastkurven beim Betrieb des Dieselmotors MTU 6H 1800 R82 mit Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt eine Leistungseinbuße beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff von im Mittel 4,8 Prozent (Abbildung 10). Der Dieselmotor ist dennoch in der Kombination mit dem Automatikgetriebe uneingeschränkt im Eisenbahnbetrieb einsetzbar.

Der Vergleich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs über dem oberen Bereich der Vollastkurven zeigt fast durchgehend einen gravimetrischen Minderverbrauch beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff, der so auch in anderen Literaturquellen beschrieben wird (Abbildung 10).

Aus den Messwerten der Abgasmessgeräte, die eine Konzentration messen, zusammen mit dem Kraftstoffverbrauch, der Drehzahl und dem Drehmoment des Lastpunktes wurden entsprechend der Berechnungsvorschrift nach DIN ISO 8178 die Zykluswerte für die gasförmigen Abgasspezies NO, (sämtliche) NOx, CO und (sämtliche) HC sowie Partikelmasse (PM) und Partikelanzahl (PN) errechnet. 
 
Der Vergleich zwischen einem Betrieb mit Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt im Zykluswert beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff eine Reduktion der NOx-Emissionen von 16 Prozent, einen minimalen Anstieg der CO-Emissionen von 4 Prozent und eine Reduktion der HC-Emissionen von 34 Prozent (Abbildung 11). Die beiden letzteren Messwerte liegen allgemein auf sehr niedrigem Niveau.

Abbildung 12 zeigt die Partikelmasse dieses Motors als Zykluswert entsprechend DIN ISO 8178. Die PM beschreibt hierbei das Gewicht der emittierten Partikel. Der Vergleich zwischen einem Betrieb mit Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt im Zykluswert beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff eine Reduktion der Partikelmasse von 11,7 Prozent.

Die Anzahl der ausgestoßenen Partikel beschreibt der Messwert PN. Hierbei handelt es sich um alle Partikel größer oder gleich 23 nm. Der Vergleich zwischen einem Betrieb mit Dieselkraftstoff und HVO-Kraftstoff zeigt im Zykluswert beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff einen leichten Anstieg der Partikelanzahl von 10,7 Prozent (Abbildung 13).

Die untersuchten Dieselmotoren sind trotz vereinzelter Leistungsschwankungen uneingeschränkt für den Betrieb mit HVO in den zugehörigen Lokomotiven und Triebwagen einsetzbar. Der Vergleich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs zeigt bei allen Messungen einen gravimetrischen Minderverbrauch beim Betrieb mit HVO-Kraftstoff, was dem Stand der Literatur entspricht.

Der synthetische Kraftstoff HVO weist eine höhere chemische Reinheit auf als fossiler Diesel. Bedingt durch das Herstellungsverfahren, enthält der Kraftstoff keine aromatischen Verbindungen und weniger chemische Verunreinigungen. Die höhere Cetanzahl (beschreibt die Zündwilligkeit) von HVO (CZ > 70) gegenüber Diesel (CZ > 51) führt zu einem geringeren Zündverzug bei der Verbrennung des HVO-Kraftstoffes. Daraus resultiert, dass der eingespritzte Kraftstoff gleichmäßiger und vollständiger verbrennt. Der klassische Zielkonflikt zwischen den Ruß- und NOx-Emissionen eines Dieselmotors wird hiermit bei der Verwendung von HVO merklich entschärft. 

Alle gemessenen Schadstoffemissionen sind als gewichteter Zykluswert (Berechnungsvorschrift nach DIN ISO 8178) beim Betrieb mit HVO geringer als beim Betrieb der Motoren mit fossilem Dieselkraftstoff. Auch die Emissionen der einzelnen Messpunkte innerhalb des Zyklus sind bei Betrieb mit HVO überwiegend niedriger.

Einzig die Partikelanzahl ist bei einigen Messpunkten am MTU 6H 1800 R82 erhöht. Die summierte Partikelmasse ist bei Verwendung von HVO ebenfalls geringer. Hierbei ist zu beachten, dass die Partikelanzahlemission dieser Motoren sich grundsätzlich auf einem niedrigen Niveau befindet und eine Verschlechterung oder Verbesserung wissenschaftlich üblicherweise in 10er-Potenzen und nicht in linearen Faktoren bewertet wird. Die Einflüsse unterschiedlicher Umgebungsbedingungen und verschiedener Unterhaltungszustände (Messzustände) der Motoren dürfte größer sein, als der hier zwischen Dieselkraftstoff und HVO beobachtete Unterschied.

Die Anwendbarkeit und Einsatztauglichkeit des Kraftstoffs HVO in verschiedensten Dieselmotoren von Eisenbahnfahrzeugen konnte im Rahmen der hier beschriebenen Versuche auf den Motorenprüfstanden des DB-Werkes Bremen nachgewiesen werden. Die Untersuchungen erfolgten an frisch revisionierten Motoren ohne jegliche technische Modifikation. 

Im Vergleich zu fossilem Diesel konnten keine signifikanten Leistungsunterschiede festgestellt werden. Unsere Dieselloks und Triebwagen können daher die gewohnten Leistungen erbringen. Weil HVO keine Aromate beinhaltet, ergibt sich zudem eine geringere Verkokung wichtiger Motorenkomponenten und somit eine längere Haltbarkeit. Auch neigt der HVO-Kraftstoff nicht zur Entstehung von Biokulturen, der sogenannten "Dieselpest". 

Bei den Versuchen hat sich gezeigt, dass mit HVO neben Schall- und Geruchsemissionen auch die lokalen Emissionen im Vergleich zu herkömmlichem Diesel sinken. Sämtliche gemessenen Werte liegen im Erwartungsbereich und zeigen deutlich, dass HVO in Bezug auf die im Rahmen des Projekts gemessenen Parameter insgesamt eine deutliche Verbesserung gegenüber fossilem Dieselkraftstoff darstellt.