Projekt 13602/01

Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens zur energetischen Nutzung ethanolhaltiger Wertstoffe aus dem Spraydosenrecycling

Projektdurchführung

adapt engineering GmbH
Motorenstr. 1 a
99734 Nordhausen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Basisuntersuchungen zur Möglichkeit einer umweltgerechten und energieeffektiven Nutzung von chemischen Grundstoffen (Destillaten Þ Ethanol) aus der Verwertung von Aerosolen aus Fehlproduktionen, Handelsrücknahmen und der Sammlung bereits genutzter und für den Verbraucher leerer Körperspraydosen. Ziel des Projektes war es, unter Einhaltung der gesetzlichen Emissionsvorschriften einen Verbrennungsmotor und die Kraftstoffkomponenten so aufeinander abzustimmen, dass eine thermische Verwertung auf der Grundlage einer Brennkraftmaschine (BHKW-Anlage) zur Abdeckung des Grundbedarfes an Elektroenergie und Heizwärme erfolgen kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen beziehen sich auf die Anpassung des mit Zusatzstoffen (Haarlacke und ätherischen Ölen) verunreinigten Ethanols an die Erfordernisse eines zündwilligen Kraftstoffgemisches für selbstzündende Brennkraftmaschinen. Zur Verbesserung der Zündwilligkeit der Sonderkraftstoffkomponente Ethanol wurden Mischbarkeitsuntersuchungen mit handelsüblichen Kraftstoffen einschließlich spezieller Zündbeschleuniger (ignition improver) durchgeführt. Die Voruntersuchungen erfolgten aus Zeit- und Kostengründen an einem Einzylindermotor mit einem Hubvolumen VH = 0,709 dm³. Durch einen Kurzzeitlauf bei Nennleistung über 40 Std. sollte das Problem der zu erwartenden Aschebildung auf Grund von Siloxanbestandteilen im Ethanol analysiert werden. Die prüfstandstechnisch experimentell ermittelten Ergebnisse wurden auf den bauteiltechnisch an die Besonderheiten der Ethanolverbrennung angepassten 4-Zylinder wassergekühlten Spezialmotor mit Sonderbaugruppen übertragen. Dazu erfolgte eine Vermessung der Rohemissionswerte des Motors nach TA-Luft und D2-Test nach ISO 8178 für den Generatorbetrieb. Nach erfolgreicher Prüfstandserprobung wurde der Verbrennungsmotor in eine BHKW-Anlage mit der Zielsetzung: Absicherung des Energiebedarfes ~ 60 kW (elektrisch) und des Grundbedarfes an Wärmeenergie eingerüstet. Dazu wurde der Motor den Besonderheiten der vorhandenen Rest-BHKW-Anlage angepasst und Projekt begleitend in Betrieb genommen. Durch Serviceleistungen über den Zeitraum von 1 Jahr wurden Erkenntnisse über die Langzeitstabilität und Besonderheiten der energetischen Nutzung ethanolhaltiger Wertstoffe aus dem Recyclingprozess gewonnen.


Ergebnisse und Diskussion

Eine Verwendung von reinem Ethanol aus Recyclingprozessen als Kraftstoffkomponente für DI-Dieselmotoren mit Ein- bzw. Mehrstrahleinspritzverfahren ist aufgrund der geringen Cetan-Zahl und der damit verbundenen Zündunwilligkeit nicht möglich.
Mischungsuntersuchungen mit anderen Kraftstoffkomponenten mit dem Ziel einer Verbesserung der Zündwilligkeit haben gezeigt, dass Ethanol homogen nur mit Bio-Diesel mischbar ist und zu einem zündwilligen Kraftstoff für DI-Dieselmotoren führt. Durch den Zusatz von Cetanzahlverbesserern (ingnition improver) werden die Kraftstoffeigenschaften, allerdings mit erhöhtem Kostenaufwand, dem handelsüblichen Dieselkraftstoff angenähert. Auf Grund der geringen Eigenschmierfähigkeit und geringfügiger Wasseranteile im Ethanol sollten Rizinus- oder Rapsölanteile (beide Komponenten sind bis zu einem Anteil von 10 % im Ethanol homogen lösbar) als Schmierfähigkeitsverbesserer zugesetzt werden. Durch die entfettende Wirkung des Ethanols ist die Einspritzausrüstung bei Alkoholbetrieb besonders gefährdet. Gleichzeitig ist die Quellneigung von Gummielementen gegenüber Bio-Diesel bzw. Pflanzenölkomponenten zu beachten. Der geringere Heizwert der Mischkraftstoffe gegenüber dem Dieselkraftstoff führt zu einem Leistungsabfall von ~ 20 %. Bei gleicher Leistungsabgabe erhöht sich der spezifische Kraftstoffverbrauch für die Mischkraftstoffe mit Ethanolanteil gegenüber Dieselkraftstoff auf das 1,3- bis 1,5-fache. Bereits in den Voruntersuchungen mit einem Einzylinderdieselmotor konnte nachgewiesen werden, dass die gasförmigen Emissionsbestandteile im Abgas dem Dieselbetrieb entsprechen und die ‚smoke number um 0,5 - 1,0 Einheiten abgesenkt werden konnte. Bei der Übertragung der Forschungsergebnisse auf den Vollmotor VD 13,5 A (mit Aufladung) wurde untersucht, ob durch den Einsatz eines dreigeteilten Ferrothermkolbens und damit der Verbesserung des Wärmehaushaltes des Motors auf den Einsatz von ignition improver verzichtet werden und gleichzeitig eine Reduzierung der kaltgepressten, entschleimten Rapsölmenge erfolgen kann.
Begünstigt wurden die Versuche zur nochmaligen Optimierung der Mischkraftstoffanteile durch die Umgebungs-Temperatur > 27°C am Aufstellungsort der BHKW-Anlage. Für den zu verwendenden Mischkraftstoff wurden definiert:
49,5 % - Anteile Ethanol
49,5 % - Anteile Bio-Diesel
1,0 % - Anteile kaltgepresstes, entschleimtes Rapsöl
Die Neudefinierung der Kraftstoffkomponten führte zu einer weiteren Reduzierung der Schadstoffe im Abgas der BHKW-Anlage. Im Arbeitspunkt (Peel = 60,8 kW; n = 1500 U/min) werden nach der TA-Luftbewertung folgende Emissionswerte erreicht:
Emissionskomponente Ist-Wert zulässiger Grenzwert nach TA-Luft
Stickoxide NOx 1,92 g/m³ 4,0 g/m³
Kohlenmonoxid CO 384 mg/m³ 650,0 mg/m³
Partikel PT 0,027 g/m³ 0,13 g/m³
Damit wird die TA-Luft eingehalten.
Durch Spurenelemente von Duftstoffen und ätherischen Ölen im recycelten Ethanol kommt es zu weißen puderähnlichen nicht verhärteten, nicht kristallinen Ablagerungen im Langzeitbetrieb. Es wird deshalb empfohlen in Zeitabständen von 500 Betriebsstunden den Motor im Dieselbetrieb über 1 - 2 Stunden frei zu fahren.
Zwischenzeitlich hat der Motor eine Gesamtlaufzeit TMotor = 1.167 Betriebstunden (31.03.99) erreicht. Bei einer Generatorleistung Peelektr.=60,8kW konnte für den firmeninternen Energiebedarf elektrische Energie in Höhe von E = 70953,6 W bereitgestellt und teilweise eine Rückeinspeisung (30 %) in das öffentliche Netz erfolgen. Gleichzeitig wurde eine Wärmemenge Q = 77123,5 kW für betriebliche Heizzwecke genutzt. Die Untersuchung der umweltrelevanten Auswirkungen lieferten folgende Ergebnisse. Durch die ökologisch sinnvolle energetische Nutzung von Ethanol entfällt der Entsorgungsaufwand für ca. 8,8 t Ethanol/Jahr. Durch die Zumischung von Bio-Diesel werden fossile Energieträger eingespart, denn zur Erzeugung der gleichen Menge an Elektro- und Wärmeenergie wäre der Einsatz von 17.789 l Diesel/Jahr erforderlich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Verbreitung der Projektergebnisse erfolgt über die Firmenpräsentation (Internet) der adapt engineering GmbH Nordhausen und durch die lokale Presse.


Fazit

Mit der BHKW-Anlage liegt eine sinnvolle ökologisch-energetische Lösung zur Nutzung von recyceltem Ethanol vor.