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Institut für Fahrzeugsystemtechnik

Teilinstitut Mobile Arbeitsmaschinen

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Isabelle Ays - Förderpreis
Isabelle Ays - Förderpreis

Kurzbeschreibung

Carbon Capture in Baumaschinen

 

Kurzbeschreibung der Innovation / des innovativen Projektes

Die Zeit ist gekommen, sich der Herausforderung der globalen Erwärmung zu stellen und unsere Verantwortung für den Generationenvertrag zu übernehmen, um unsere Kinder nicht mit irreversiblen Klimafolgen zu belasten.

Baumaschinen können durch die Entwicklung des innovativen Carbon Capture Systems, welches CO2 im Abgas mit Aktivkohlefiltern kontinuierlich abscheidet und verflüssig in einem Tank speichert, ihre Treibhausgasemissionen eliminieren

Detaillierte beschreibung der Innovation

Motiviert durch den Klimawandel, hat die EU das Ziel bis 2050 die Treibhausgasemissionen um 85-95% im Vergleich zu 1990 zu senken. Unter Berücksichtigung von Methan von Tieren und der Annahme, dass Baumaschinen eine Lebensdauer von max. 18 Jahren haben, bedeutet dies, dass bis spätestens 2032 keine CO2-emittierenden Baumaschinen mehr verkauft werden können. Aktuelle Prognosen von der EEA sagen voraus, dass durch die Einführung von weiteren Richtlinien und Maßnahmen zur Transformation in nachhaltige Systeme, die Ziele nicht erreicht werden.

Eine mögliche Lösung ist die Entwicklung eines Carbon Capture Storage (CCS) für Baumaschinen, welche die produzierten CO2 Emissionen abfängt. Die für das System notwendigen Funktionen der CO2-Abscheidung und -speicherung wurden in einem Funktionsanalyse Diagramm zerlegt, siehe Abb.1. Auf dieser Basis wurde nach der Methode des morphologischen Kastens alle möglichen CCS-Konzepte für Baumaschinen aufgeführt, siehe Abb.2. Die Anwendung dieser Methode führt zum System in Abb.3. Das Konzept garantiert eine kontinuierliche CO2 Abscheiderate von über 99% mittels zwei parallel angeordneter Aktivkohlefilter. Zuerst wird das Abgas mithilfe von Luft aus der Umgebung auf 60°C abgekühlt, dann das CO2 mit einem der beiden Aktivkohlefilter aus Luft und Abgas abgeschieden und schließlich das CO2-freie Gas in die Atmosphäre abgegeben. Wenn der Filter komplett mit CO2 gefüllt ist, wird das Abgas über den Dreiwegehahn zum anderen Filter geleitet. In der Zwischenzeit wird der erste Filter regeneriert, indem er auf 120°C erhitzt wird, um das CO2 zu desorbieren. Wenn ein Filter sich im Adsorptionszustand befindet, ist der andere Filter im Desorptionszustand. Das desorbierte CO2 wird schließlich auf 30°C und 200bar flüssig in einem Tank gelagert. Das flüssige CO2 kann dann verkauft und für die Herstellung von E-Fuels oder für andere Industrieprodukte wiederverwendet werden. So entstehen neue Geschäftsmodelle für Baumaschinenbetreiber. Der zusätzliche Arbeitsaufwand des Systems für den Arbeiter ist gering, da nur der CO2 Speichertank entleert werden muss. Dies kann ohne zusätzlicher Zeitaufwand gleichzeitig mit dem Füllen des Kraftstofftanks stattfinden.

Die damit erzeugte Limitierung des Klimawandels unterstützt die nachhaltige Entwicklung von Flora, Fauna und Mensch. Erhöhte CO2 Konzentrationen können zu Kopfschmerzen, Übelkeiten bis hin zum Tode führen. Besonders bei Arbeiten in Gruben, Tunnelbau oder Minen, wo die CO2-Konzentration höher ist, wird der Arbeitsplatz für die Bauarbeiter somit sicherer.

Die LSU Stiftung gibt an, dass direkte Schäden und indirekte Folgen wie Anpassungsmaßnahmen wegen der globalen Erwärmung 30€ pro tCO2 kosten. Am Bsp. eines Diesel-Baggers mit einer Lebensdauer von 10.000h entspricht dies 789tCO2 Emissionen und 24k€. Dabei wird deutlich, dass diese Innovation durchaus wirtschaftlich ist.

CCS für mobile Maschinen werden heute noch nicht verwendet, sind aber bereits heute einsetzbar, da das Gewicht, Volumen und Energieaufwand für die Maschinen vertretbar und somit praxistauglich sind (zB für einen 27t Bagger: 1,5-6,5% Mehrgewicht, 1,3m³ Mehrvolumen, 9% Zusatzenergie). Das vorgeschlagene einzigartige nachhaltige System, welches sogar die Luft reinigt, ermöglicht der Baubranche neue Geschäftsmodelle und verleiht der Baumaschine einen neuen Ruf als klimafreundliche Maschine. Auch für den Einsatz von zukünftigen Antrieben mit Brennstoffzellen oder alternativen Kraftstoffen ist das CCS bestens geeignet.

 

Kurzes Video:

https://www.youtube.com/watch?v=duByzVc-AHw&feature=youtu.be


7. Fachtagung Hybride und energieeffiziente Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen

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Am 19./20. Februar fand die 7. Fachtagung „Hybride und energieeffiziente Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen“ statt, die sich inzwischen als anerkanntes Expertenforum im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen etabliert hat. Herr Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer begrüßte knapp 200 Experten aus Industrie und Wissenschaft im Akademie Hotel Karlsruhe. Bereits die Vorabendveranstaltung am 19. Februar in den institutseigenen Versuchshallen wurde rege für ein unternehmensübergreifendes Treffen mit fachlichem Austausch in geselliger Runde genutzt. Veranstaltet wurde die Tagung durch das Teilinstitut Mobile Arbeitsmaschinen des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und den Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V., VDMA, in Kooperation mit dem wissenschaftlichen Verein für Mobile Arbeitsmaschinen e.V..

Standen im Jahre 2007 Ideen, Konzepte, und erste Lösungsansätze für Hybridantriebe im Fokus, so wurde auf dieser Tagung neben der erfolgreichen Integration von elektrischen und hybriden Antrieben auch die Frage nach neuen Betriebsstrategien und Energiespeichern mit dem Ziel einer deutlichen Emissionsreduktion bei mobilen Arbeitsmaschinen bis hin zu einer „Zero Emission“ Maschine aufgegriffen.

Eröffnet wurde die Fachtagung mit einem Vortrag der PRIMAGAS Energie GmbH & Co. KG über BioLPG als eine Alternative auch für moderne Motoren, gefolgt von der Vorstellung der Hybrid- und Elektrifizierungsstrategie der DEUTZ AG, auf die der Beitrag der GreenIng GmbH & Co. KG über Herausforderungen und Chancen bei der Elektrifizierung von Mobilen Arbeitsmaschinen aufbaute.

In der darauffolgenden Session mit dem Schwerpunkt auf energieeffiziente Antriebe wurden durch die Unternehmen Danfoss Power Solution, Logset Oy, Dana Rexroth sowie das Forschungsinstitut TU München neue Getriebeansätze, Hybridlösungen für Forstmaschinen und traktionsunterstützende Anbaugeräte vorgestellt. Nach der Mittagspause zeigten die HS Ostfalia und die RWTH Aachen den aktuellen Stand, mögliche Einsatzgebiete und Potenziale in der Domäne der elektro-hydraulischen Linearantriebe. In einer parallelen Session wurden hybride Antriebstechnologien sowohl für einzelne Komponenten, als auch für Komplettfahrzeuge mit den Zielen der Emissionsreduktion und Effizienzsteigerung vorgestellt.

Die abschließende Session befasste sich mit dem Thema der alternativen Antriebe. Folgend auf einen Beitrag des KIT über die Idee einer emissionsfreien mobilen Arbeitsmaschine zeigte die Stieler Technologie- & Marketing Beratung GmbH & Co. KG eine Studie zu sich bereits in der Umsetzung befindlichen und geplanten Antriebsmöglichkeiten der nächsten Jahre. Zuletzt berichtete die DLM Dampflokomotiv- und Maschinenfabrik AG von Dampfmaschinen mit hoher Energiedichte als alternative Antriebslösung, bevor Herr Prof. Geimer mit dem Schlusswort die 7. Fachtagung beendete.

Die insgesamt 16 vorgestellten Beiträge zeigten die große Bedeutung und den zu erwartenden Wandel im Bereich der Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen, in der Industrie und Wissenschaft. Neue Impulse sind zu erwarten, die sowohl eine Senkung der Emissionen, also auch einen Mehrwert in Form einer gesteigerten Effizienz und verbesserter Wirtschaftlichkeit bringen. Auf die angekündigte Fortsetzung 2021 darf man gespannt sein.

Die Teilnehmer konnten sich in den Pausen auf der tagungsbegleitenden Fachausstellung mit Komponenten-, System- und Steuerungsherstellern auszutauschen. Sieben Firmen nutzen die Möglichkeit zur Präsentation ihrer Produkte und Ideen.

Der zur Tagung erstellte und begleitende Tagungsband  kann über den KIT Scientific Publishing Verlag bezogen werden (ISBN 9783731508731). Die von den Vortragenden freigegebenen Vortragsunterlagen werden zum Download auf der Homepage (Mobima) des Teilinstituts Mobile Arbeitsmaschinen, KIT, bereitgestellt.

Programmausschuss:

Prof. Dr. M. Geimer, Dipl.-Ing. P.-M. Synek, M.Sc. L. Brinkschulte, Prof. L. Frerichs, Dr. F. Bauer, Dr. B. Pichlmaier, Dr. B. Volpert