John Deere erforscht die Möglichkeiten von Ethanol

Die USA sind zwar in der Lage, mehr Biokraftstoffe zu produzieren, doch Effizienzsteigerungen im Automobilsektor und der Umstieg auf Elektrifizierung könnten die Marktnachfrage beeinflussen. (Foto: John Deere)

Ethanol ist seit Langem ein fester Bestandteil der Automobilindustrie und wird hauptsächlich in geringer Konzentration Benzin als Oktanzahlverbesserer für Ottomotoren beigemischt. In den USA werden jährlich über 16 Milliarden Gallonen Ethanol produziert, wobei der Großteil davon in Pkw verwendet wird.

Bisher ließ dies wenig Raum für andere Anwendungen, doch nun besteht das Potenzial, Ethanol in noch größeren Mengen zu erzeugen.

Dr. Danan Dou, leitender Technologe (Energiesysteme), John Deere Power Systems (Foto: John Deere Power Systems)

„Mit steigenden Ernteerträgen, Effizienzgewinnen bei der Rohstoffverarbeitung sowie Kraftstoffumstellungen sind die USA in der Lage und fähig, künftig mehr Biokraftstoffe wirtschaftlicher zu produzieren“, sagte Dr. Danan Dou, Chief Technologist (Power Systems) bei John Deere Power Systems, in einer gemeinsamen Präsentation auf der Off-Highway & Power Generation USA 2026 von Emissions Analytics.

Auf den ersten Blick sind das gute Nachrichten für die Landwirte, wie Dou gegenüber Power Progress später auf der Veranstaltung anmerkte: „Mit den Effizienzsteigerungen im Automobilsektor und der Elektrifizierung besteht das Risiko darin, ob die Nachfrage nach Benzin oder Ethanol sinkt.“

Dieses Risiko sowie die schwankenden Rohstoffpreise haben John Deere Power Systems dazu veranlasst, alternative Lösungen für Hochleistungsmotoren zu untersuchen, die landwirtschaftliche Kunden unterstützen könnten, indem sie neue Marktchancen für ihre Ernten eröffnen.

Ethanolbetriebene Dieselmotoren

Die Umrüstung von dieselbetriebenen Geräten auf Fremdzündung ist vielleicht die vielversprechendste Option.

„In den letzten Jahren hat unsere Diskussion über erneuerbare Kraftstoffe die Sichtweise auf Ottomotoren grundlegend verändert, da die meisten erneuerbaren Kraftstoffe sich tatsächlich besser für Ottomotoren eignen“, erklärte Dou. „Ethanol ist ein flüssiger Kraftstoff, erneuerbar und wird aus Nutzpflanzen wie Mais gewonnen, die von unseren Kunden angebaut werden. Das hat uns dazu veranlasst, uns zu fragen: ‚Wie können wir einige Maschinen so umrüsten, dass sie mit Ethanol betrieben werden können, um unsere Kunden zu unterstützen?‘“

Zu diesem Zweck beteiligte sich John Deere an einem vom US-Energieministerium finanzierten Industrieprojekt in Zusammenarbeit mit der Marquette University in Milwaukee, Wisconsin, um eine Flex-Fuel-Lösung zu entwickeln, die einen Dieselmotor auf Fremdzündung umrüsten soll. Die Lösung beinhaltet eine aktiv befüllte Vorkammer – ausgestattet mit eigener Einspritzdüse und Zündkerze –, die am Zylinderkopf des Motors montiert werden kann, um die Verbrennung von Ethanol und hochprozentigen Benzin-Ethanol-Gemischen durch kontrollierte Verbrennung zu ermöglichen.

„Das eröffnete eine neue Richtung für die Kraftstoffmischungsstrategie. Es ist eine weitere Möglichkeit, diesen weit verbreiteten Biokraftstoff zu nutzen, der für die USA und unsere Kunden gleichermaßen wichtig ist“, sagte Dou.

Derzeit sammelt John Deere Entwicklungserfahrung mit der fremdgezündeten Lösung.

„Wir haben noch einiges an Arbeit vor uns, was Produktvalidierung, Marktakzeptanz, Skalierung und Investitionen angeht“, sagte Dou. „Wir entwickeln Prototypen, die mit Ethanol betrieben werden, um das Potenzial aufzuzeigen. Wir testen auch den Markt, um zu sehen, ob die Kunden das annehmen. Wir müssen diese Lösung also noch weiter unter Beweis stellen.“

Bio2Fuel-Projekt

John Deere erforscht außerdem den direkten Einsatz von Ethanol in Dieselmotoren. Dou arbeitet bereits seit Langem mit Dr. Greg Shaver, Reilly-Professor für Maschinenbau an der Purdue University, zusammen. Daher lag es nahe, gemeinsam mit anderen Industriepartnern ein Flex-Fuel-Projekt zu entwickeln, das untersucht, wie ein unveränderter Dieselmotor auf unterschiedliche Mischungen aus Ethanol und Biodiesel mit und ohne Dieselkraftstoff reagiert.

Das Projekt – bei dem Ethanol zur Herstellung von Biodiesel als Fettsäureethylester (FAEE) verwendet wurde – wurde schließlich unter dem Namen Bio2Fuel bekannt. Es war Gegenstand der gemeinsamen Präsentation von Dou und Shaver auf der Konferenz „Off-Highway & Power Generation“.

John Deere Power Systems erforscht alternative Lösungen für Schwerlast-Dieselmotoren, darunter auch das Potenzial von Ethanolbeimischungen. (Foto: Becky Schultz)

„Biodiesel hat eine höhere Viskosität, eine höhere Cetanzahl und eine bessere Schmierfähigkeit und ergänzt daher die Eigenschaften von Ethanol“, erklärte Dou. „Durch die Zugabe von Ethanol zu Biodiesel, gegebenenfalls auch zu herkömmlichem Dieselkraftstoff, erhält man einen Kraftstoff, der einige der Eigenschaften von Dieselkraftstoff aufweist und sich ähnlich verhält. Tatsächlich erfüllen einige seiner Eigenschaften sogar die heutigen Dieselnormen.“

Wie Shaver während der Präsentation erläuterte, bestand das Projekt aus Labortests eines 13,6-Liter-John-Deere-Dieselmotors, bei denen Diesel, Premium-Diesel, Biodiesel und Ethanol in verschiedenen Kombinationen und prozentualen Mischungsverhältnissen verwendet wurden.

„Im Kern geht es darum, die enormen Mengen an Ethanol und in gewissem Umfang auch Biodiesel, die wir heute in den USA und Nordamerika produzieren, besser zu nutzen. Die entscheidende Frage ist, ob wir diese Kraftstoffe in einem Dieselmotor betreiben können, der nicht so stark modifiziert ist, dass er weiterhin einwandfrei mit Dieselkraftstoff funktioniert“, erklärte Shaver. „Wir nehmen also einen unveränderten Dieselmotor, der alle gesetzlichen Anforderungen und Kundenerwartungen erfüllt und mit Diesel betrieben wird, und versuchen dann herauszufinden, wie wir Ethanol in diesen Motor integrieren können.“

Machbarkeitsnachweis

Vorarbeiten an dem Projekt zeigten, dass sich bis zu 50 % Ethanol in einem modernen Dieselmotor verbrennen lassen. „Wir erreichten dies durch eine höhere Kraftstoffeinspritzung, Vorwärmung des Motorblocks und Umgehung des Druckluftkühlers bei niedrigen Lasten“, erklärte Shaver. Auch eine 60-%-Mischung wurde getestet, wobei der Motor beim Start zusätzlich vorgewärmt werden musste.

Die wichtigsten Erkenntnisse zeigen bisher, dass die Emissionen des Motors bei den Mischungen mit Ethanol ähnlich oder sogar besser sind, mit Ausnahme von CO und Kohlenwasserstoffen bei der 60%igen Mischung unter niedrigen Lasten; und dass der Kraftstoffverbrauch mit abnehmender Energiedichte des Kraftstoffs steigt.

Abgebildet ist der 13,6-Liter-John-Deere-Dieselmotor in einer Prüfzelle der Purdue University. (Foto: John Deere Power Systems)

„Ethanol und Biodiesel sowie deren Mischungen weisen eine geringere Energiedichte als herkömmlicher Dieselkraftstoff auf, hauptsächlich aufgrund ihres Sauerstoffgehalts. Man muss mehr Kraftstoff in den Zylinder einspritzen, um bei gleicher Motordrehzahl das gleiche Drehmoment oder die gleiche Leistung zu erzielen“, erklärte Shaver.

„Eine wichtige Erkenntnis ist also: Man kann mit Dieselmotoren einen Betrieb mit hohem Drehmoment und hoher Leistung erreichen, muss aber bei einer Mischung auf Ethanol- und Biodieselbasis zumindest teilweise Abstriche machen. Das ist einfach ein Naturgesetz.“

Obwohl die Kraftstoffmenge, die man pragmatisch in den Brennraum einfüllen kann, begrenzt ist, könnten Konstruktionsänderungen am Brennraum dieses Problem möglicherweise beheben, sagte Shaver. „Aber so oder so wird man wahrscheinlich bei maximalem Drehmoment und maximaler Leistung an eine Grenze stoßen.“

Letztendlich hat das Projekt sein Ziel erreicht – den Nachweis zu erbringen, dass ein Dieselmotor tatsächlich Ethanol in irgendeiner Form verbrennen kann. Es bleibt aber noch viel zu tun.

„Ich sagte: ‚Es sieht vielversprechend aus, aber wir sollten es dabei nicht belassen‘“, sagte Dou. „Wir haben noch nicht alles bewiesen – die Langlebigkeit, die Einhaltung zusätzlicher Emissionsnormen, andere Aspekte des Motors. Wir müssen das Ganze umfassender betrachten. Deshalb wollen wir ein Konsortium gründen, um die Sache weiterzuverfolgen. Wir wollen nicht alleine vorgehen.“

Es braucht ein ganzes Dorf

Das Konsortium wurde offiziell im Purdue University System registriert und John Deere hat eine Reihe verschiedener Einrichtungen eingeladen, sich an einem dreijährigen Projekt zu beteiligen, das die Entwicklung eines für Dieselmotoren geeigneten Kraftstoffs untersucht.

„Wir haben versucht, ein Team aus Experten von OEMs, Kraftstofflieferanten und herausragenden Forschern zusammenzustellen, das alle Details des Verbrennungsprozesses untersucht – wir wollen offen für Neues sein und forschen“, betonte Dou. „Wir werden auch auf Dinge stoßen, die nicht eindeutig erfolgreich waren, aber bisher hat sich die Forschung als gerechtfertigt erwiesen. Wir sehen hier Potenzial.“

Je mehr Organisationen sich zusammenschließen, desto größer sei die Chance, eine erfolgreiche und wirtschaftliche Lösung zu entwickeln, fügte er hinzu.

John Deere hat ein Konsortium gegründet, um die Entwicklung und Förderung eines „motorenunabhängigen“ Kraftstoffs zu untersuchen, der aus von Kunden angebauten Pflanzen gewonnen wird. (Foto: John Deere)

Das Konsortium wird sich mit der Optimierung der Motorverbrennung, der Fehlererkennung, dem Lebensdauerprofil und anderen Aspekten der Biokraftstoffnutzung in bestehenden Motoren befassen.

„Wir arbeiten an einem motorunabhängigen Kraftstoff“, erklärte Dou. „Wenn man bestehende Motoren nutzen kann, lässt sich die Nachfrage deutlich steigern. Deshalb suchen wir nach dem minimalen Produktanteil, der in einem bestehenden Motor verwendet werden kann. Gleichzeitig fragen wir uns: ‚Was ist das maximal mögliche Potenzial?‘ Mit dieser Forschung haben wir versucht, beide Aspekte zu beleuchten.“

Ziel ist es, genügend Daten zu generieren, um sowohl die Industrie als auch die Kraftstoffanbieter davon zu überzeugen, dass eine Ethanolbeimischung ein erfolgversprechendes Konzept mit Wachstumspotenzial darstellen könnte – und ihnen einen möglichen Fahrplan für ein progressives Wachstum zu geben.

„Die Nutzfahrzeugbranche ist sehr konservativ. Man könnte sagen: ‚Ich sehe genug Risiko, ich fühle mich nicht wohl, also werde ich abwarten.‘ Wir sagen, wir werden vorsichtig vorgehen“, sagte Dou. „Die meisten Kraftstoffstrategien begannen mit einer geringeren Konzentration, um das Konzept zu beweisen. Wir suchen nach einem ähnlichen Fahrplan.“

Energie und Infrastruktur

Zukünftige Arbeiten könnten sich auch mit der langfristigen Lagerung von Kraftstoffen, deren Stabilität und verschiedenen Tankoptionen sowie mit Fragen der Kraftstoffqualität und -sicherheit befassen.

„Wir müssen nicht nur beweisen, dass der Motor mit dem Kraftstoff gut zurechtkommt, sondern jemand muss auch den Kraftstoff produzieren, jemand muss ihn verteilen und verfügbar machen, das erfordert einen ebenso großen Aufwand“, sagte Dou.

„Wir brauchen einen Antriebsstrang, der für den Kunden funktioniert, aber auch die Energieversorgung muss gewährleistet und kosteneffizient sein. Verfügbarkeit, Preis, Komfort, Speicherung – all diese Faktoren tragen zum Erfolg des Kunden bei.“

„Die Koalition soll die Motorenlösung weiterentwickeln und optimieren, aber auch sicherstellen, dass die Infrastruktur, die Fertigung und alle noch unbekannten Aspekte erforscht werden“, fügte Dou hinzu. „Wir wollen frühzeitig handeln, um das Gesamtbild präsentieren zu können, und hoffen, dass sich unsere Lösung als attraktiver erweist als andere.“

Mehr Vielfalt in Sicht

Insgesamt rechnet John Deere mit einer vielfältigeren Zukunft für Antriebsstränge, und damit steht das Unternehmen nicht allein.

„Die anderen OEMs verfolgen in diesem Sinne eine ähnliche Strategie – ein diversifizierteres Antriebsangebot, das den spezifischen Anforderungen der Kundensegmente gerecht wird, und es gibt möglicherweise keine Einheitslösung für alles“, sagte Dou.

Dieselmotoren werden auch weiterhin Teil der verfügbaren Lösungen sein. „Diesel ist für uns nach wie vor von zentraler Bedeutung. Wir werden Diesel nicht aufgeben. Diesel bietet weiterhin konstante Leistungseigenschaften. Deshalb ist Diesel der König“, erklärte Dou.

Dieselkraftstoff wird voraussichtlich weiterhin führend bleiben, sagte er, aber die Auswahlmöglichkeiten werden zunehmen – beispielsweise durch Fremdzündung oder alternative Kraftstoffe in Dieselmotoren. „All das sind Möglichkeiten, und wir müssen den Markt testen, um die beste Lösung zu finden.“

John Deere unterstütze „alle Varianten“, sagte Dou, aber die entwickelten Lösungen müssten sich in der Praxis bewähren. „Sie müssen produktiv und rentabel sein. Letztendlich muss der Kunde entscheiden, welche Lösung die richtige ist“, sagte er.

„Was auch immer unseren Kunden wichtig ist, wir unterstützen es. Antriebsstränge werden künftig mehr Optionen bieten, breitere Produktportfolios sind wahrscheinlich und eine größere Auswahl an Kraftstoffen wird bald Realität sein“, prognostizierte er. „Es gibt verschiedene Wege, dies zu erreichen, und wir werden die beste Lösung auswählen.“

Vielseitige Lösung für Agrarkunden

Ethanol ist ein vielseitiger Kraftstoff, sagte Dr. Danan Dou von John Deere. Beispielsweise laufen derzeit erste Pilotversuche zur Nutzung von Ethanol zur Wasserstofferzeugung.

Aus Nutzpflanzen gewonnenes Ethanol kann zu einer breiten Palette von Kraftstoffprodukten weiterverarbeitet werden. (Foto: John Deere)

„Das Verfahren ist ausgereift. Der Grund dafür ist, dass es dem der Dampfreformierung von Methan entspricht. Die Schritte sind dieselben, man ändert lediglich den Ausgangsstoff“, erklärte er. „Das ist relevant, wenn man den Wasserstoff zur Ammoniakproduktion nutzt, den Ammoniak als Dünger verwendet und ihn dann wieder der Landwirtschaft zuführt.“

Ethanol lässt sich zudem zu einer Reihe von Kraftstoffen weiterverarbeiten, darunter höhere Alkohole und Kohlenwasserstoffe. Auch Pflanzenöl kann zu erneuerbarem Propan, erneuerbarem Diesel, erneuerbarem Kerosin und erneuerbarem Naphtha verarbeitet werden und somit verschiedene Industriezweige unterstützen.

Als flüssiger Kraftstoff ist Ethanol hinsichtlich Tanks, Transport usw. einfach zu handhaben. Laut Dou sind gasförmige Kraftstoffe wie Wasserstoff, Erdgas, Propan und Biomethan im Vergleich schwieriger zu handhaben und weisen eine geringere Energiedichte auf. Im Gegensatz zu Diesel, der einen höheren Flammpunkt besitzt, ist Ethanol jedoch entzündlich und muss entsprechend behandelt werden.

„Aus diesen Blickwinkeln betrachten wir Ethanol als Kompromiss gegenüber Diesel, aber im Vergleich zu Wasserstoff und Erdgas ist es ein deutlich besserer Schritt für unsere Kunden“, sagte Dou. „Die Akzeptanz bei den Kunden ist dadurch viel geringer.“

„Wenn sie ihren eigenen Bedarf an landwirtschaftlichen Erzeugnissen decken können“, fügte er hinzu, „ist das ein Gewinn für sie.“