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Nov 27, 2023

Harnstofftanks auf Diesel-Lkw

Automobilqualität des weltweit am häufigsten verwendeten Stickstoffs

Der weltweit am häufigsten verwendete Stickstoffdünger in Automobilqualität wird verwendet, um neue US-Umweltvorschriften zur Reduzierung der Luftverschmutzung zu erfüllen

IFDC

Bild: Ein Prototyp eines Diesel-Lkw mit Harnstofftank und SCR-Einheit.mehr sehen

Bildnachweis: DaimlerChrysler Power Systems

Harnstofftanks werden zur Standardausrüstung der meisten neuen Diesel-Lkw, Busse, Autos und Sport Utility Vehicles (SUVs) gehören, die nach dem 1. Januar 2010 in den USA hergestellt werden. Harnstoff in Automobilqualität wird in den Abgasstrom der Fahrzeuge eingespritzt „Schrubben“ Sie Stickoxide (NOx) aus den Dieselabgasen.

NOx, ein wichtiger Luftschadstoff, trägt zum Smog bei, der Asthma sowie Atemwegs- und Herzerkrankungen verursacht.

Das System, Harnstoff-SCR oder „harnstoffbasierte selektive katalytische Reduktion“, ist die einzige verfügbare Technologie, die ausreichend NOx aus Dieselabgasen entfernen kann, um die strengen neuen Grenzwerte der US-Umweltschutzbehörde (EPA) einzuhalten, sagt Glenn Kedzie, Environmental Berater der American Trucking Associations.

Der Automobil-Harnstoff, in den USA „Diesel Exhaust Fluid“ (DEF) genannt, und AdBlue, ein Markenname in Europa, reduzieren allein NOx um bis zu 90 % und können NOx in Kombination mit NOx auf nahezu Null bringen Dieselpartikelfiltertechnologie, sagt Kim Doran, Sprecher der neu gegründeten North American SCR Stakeholders Group und Herausgeber von FactsAboutSCR.com, einer Website, die sich den SCR-Neuigkeiten widmet.

DEF und AdBlue sind eine wässrige Harnstofflösung 32 (AUS 32), eine klare 32,5 %ige Stickstofflösung aus hochreinem Harnstoff in demineralisiertem Wasser. Die Harnstofflösungen seien sicher in der Handhabung, behaupten die Hersteller. AdBlue kann in Europa in großen Mengen oder an einigen Tankstellen literweise gekauft werden.

Das Aufkommen von DEF und AdBlue führt zu einer neuen Nachfrage nach Harnstoff, dem weltweit am häufigsten verwendeten Stickstoffdünger. Einige befürchten, dass die neue Verwendung die Düngemittelpreise in die Höhe treiben wird. Andere glauben, dass dies einen Anreiz für die Hersteller darstellt, die Produktion zu steigern und damit die Preise zu senken.

„Wir wissen, dass traditionelle Nahrungspflanzen wie Mais oder Zuckerrohr auf Biokraftstoffe wie Ethanol umgestellt werden – aber jetzt wird auch Harnstoff, ein grundlegender Rohstoff für die Lebensmittelproduktion, als Kraftstoff verwendet“, sagt Dr. Amit Roy, Präsident und CEO des International Center für Bodenfruchtbarkeit und landwirtschaftliche Entwicklung (IFDC).

„Ironischerweise ist die Reinigung unserer Umwelt ein Hauptgrund für beide Technologien.“

Hersteller übernehmen die Harnstoff-SCR-Technologie

Laut Integer Research, einem auf Harnstoff-SCR spezialisierten Marktanalyseunternehmen mit Sitz in London, nutzen mittlerweile mehr als eine halbe Million Diesel-Lkw in Europa Harnstoff-SCR und die Flotte wächst um etwa 25.000 Lkw pro Monat.

Doran sagt, dass die SCR-Technologie von Pkw- und Leicht-Lkw-Herstellern in den USA übernommen wird, darunter Audi, BMW, Hyundai, Jeep, Kia, MiniCooper und Volkswagen. Mercedes-Benz führt Ende 2008 drei neue Diesel-SUVs mit Harnstoff-SCR-Technologie in den USA ein. Harnstoff-SCR wird auch in Japan und Singapur eingesetzt und wird bald auch in China eingesetzt.

Zu den Herstellern in der gewerblichen Lkw-Branche, die SCR einführen, gehören Freightliner, Kenworth, Mack, Peterbilt und Volvo. Zu den führenden Motorenherstellern, die SCR verwenden, gehören Cummins und Detroit Diesel Corp.

Zukünftige Nachfrage

Der Verbrauch der Harnstofflösung beträgt etwa 3 % des Dieselverbrauchs. Diesel-Lkw fahren durchschnittlich 6,5 Meilen pro Gallone (2,8 km/Liter). Ein durchschnittlicher Diesel-Lkw muss seinen 20-Gallonen-DEF-Tank alle 4.000 bis 6.000 Meilen (76 Liter alle 6.400 bis 9.600 km) auffüllen.

Harnstoff zur Reduzierung der NOx-Emissionen verbraucht in Westeuropa derzeit 0,3 bis 0,4 Millionen Tonnen Harnstoff, sagt Stephen Zwart, Lizenzmanager des niederländischen Unternehmens Stamicarbon, dem weltweit größten Lizenzgeber für Harnstoffanlagentechnologie. In 10 Jahren wird die derzeitige LKW-Flotte in Westeuropa ersetzt sein und der Harnstoffverbrauch wird 3 bis 4 Millionen Tonnen betragen.

Der zukünftige Harnstoffbedarf, der durch die SCR-Technologie in den Vereinigten Staaten entsteht, wurde von Dr. Carlos Baanante, Agrarökonom des IFDC, berechnet.

Laut EarthTrends, einer Initiative des World Resources Institute (http://earthtrends.wri.org/index.php), wurden im Jahr 2003 in Europa 213 Milliarden Liter Dieselkraftstoff für den Transport verbraucht und in den Vereinigten Staaten 146 Milliarden Liter. .

Baanante geht davon aus, dass im Jahr 2010 nur 7 % der Diesel-Lkw in den USA Harnstoff-SCR verwenden werden – die in diesem Jahr gekauften neuen Lkw.

„Der US-amerikanische Harnstoffverbrauch für Transportzwecke wird im Jahr 2010 wahrscheinlich dem Harnstoffdünger-Äquivalent von etwa 210.000 Tonnen entsprechen – im Jahr 2011 wird er jedoch mindestens doppelt so hoch sein und danach rasch ansteigen, da ältere Lkw durch neuere Modelle mit Harnstofftanks ersetzt werden“, sagte Baanante sagt.

Die Schätzungen gehen davon aus, dass ein Liter der Lösung etwa 1 kg wiegt und der Harnstoffdünger 46 % N enthält, erklärt Baanante. Somit würde 1 kg Harnstofflösung den N verbrauchen, der zur Herstellung von 0,7065 kg Harnstoffdünger benötigt wird. Zur Berechnung des Harnstofflösungsverbrauchs in Tonnen Harnstoff-Düngemittel-Äquivalent wird ein Umrechnungsfaktor von 0,7065 verwendet.

„Mehr als 90 % der weltweiten Harnstoffproduktion sind für Düngemittel bestimmt – aber neue Anforderungen an Harnstoff-SCR könnten das ändern“, sagt Baanante. Harnstoff wird auch in Tierfutter, bei der Herstellung von Kunststoffen und Klebstoffen, bei der Enteisung von Autobahnen, bei der Wolkenbildung zur Herbeiführung von Regen und in Produkten zur Zahnaufhellung verwendet.

Strenge neue EPA-Abgasemissionsvorschriften

Kedzie sagt, dass im Jahr 2010 in den USA hergestellte dieselbetriebene Fahrzeuge nicht mehr als 0,2 Gramm NOx pro Brems-PS-Stunde ausstoßen dürfen – 90 % weniger als die aktuellen Emissionen. Die neuen EPA-Vorschriften gelten nicht für Fahrzeuge, die vor 2010 hergestellt wurden.

Traktoren, Bulldozer und andere Nichtstraßenfahrzeuge müssen bis 2015 die neuen EPA-Standards erfüllen. Der US-Zeitplan für Schiffe und Lokomotivmotoren steht noch nicht fest.

„Einige Speditionen kaufen jetzt neue Lkw, die nach 2010 ersetzt werden sollten, um die Kosten für Harnstofftanks und den Kauf und Transport von Harnstoff zu vermeiden“, sagt Kedzie.

Aber Thom Albrecht, ein Transport-Aktienanalyst bei Stephens Inc. in Virginia, USA, glaubt, dass die meisten Transportunternehmen – die Hauptabnehmer von Schwerlastkraftwagen – ihre normalen Kaufzyklen fortsetzen werden, da die nächste EPA-Emissionsfrist im Jahr 2010 naht. Albrecht hat erreicht Zu diesem Schluss kamen wir, nachdem wir 88 Spediteure zu ihren zukünftigen Kaufplänen befragt hatten.

Neue Anforderungen könnten sich auf den Weltmarkt für Düngemittel auswirken

Keith Stokes, Inhaber von Stokes Engineering und IFDC-Berater für die Harnstoffproduktion, sagt: „Harnstoff zur NOx-Reduktion wird eine neue Nachfrage schaffen, die die Düngemittelpreise in die Höhe treiben könnte – genau wie die Ethanolproduktion.“

Aber Doran von SCR Stakeholders sagt: „Es wird nicht erwartet, dass die Nachfrage nach diesem Harnstoff in Automobilqualität 5 % der Weltproduktion übersteigt. Der neue Einsatz von Harnstoff zur Kontrolle von Fahrzeugemissionen könnte zu höheren Investitionen führen und die weltweite Kapazität für die Harnstoffproduktion erweitern.“

Wie Harnstoff-SCR-Systeme funktionieren

Harnstoff-SCR reinigt das Abgas nach der Verbrennung. Die Harnstofflösung wird in einem separaten Vorratstank vorgehalten und als feiner Nebel in die heißen Abgase eingespritzt. Durch die Hitze wird der Harnstoff in Ammoniak zerlegt – das eigentliche NOx-reduzierende Mittel. Durch einen Katalysator zerlegt das Ammoniak das NOx in harmloses Stickstoffgas (N) und Wasserdampf. Die Abgase sind kein Schadstoff mehr; Die Atmosphäre besteht zu etwa 80 % aus Stickstoffgas.

Bill Herz, Vizepräsident für wissenschaftliche Programme des Fertilizer Institute mit Sitz in Washington, D.C., sagt: „Man hört viel über die schädlichen Auswirkungen von Düngemitteln auf Ökosysteme – aber wenig über die positive Rolle von Harnstoff bei der Beseitigung von Schadstoffen.“

Doran sagt: „Da SCR-Technologien den NOx-Ausstoß auf nahezu Null reduzieren, können Motoren so abgestimmt werden, dass die Kraftstoffeffizienz maximiert wird.“ Das Ergebnis ist eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 3 %𔃃 % und ein geringerer Kohlendioxidausstoß.

„Die Abgase, die aus dem Endrohr eines mit SCR ausgestatteten Fahrzeugs kommen, können tatsächlich sauberer sein als die Luft um sie herum“, fügt Doran hinzu.

Laut Daimler Trucks hat die durch den Einsatz der SCR-Technologie in Europa erzielte Motoreffizienz den Kunden tatsächlich mehr als 280 Millionen Liter Diesel und fast eine halbe Milliarde Dollar an Treibstoffausgaben erspart. Gleichzeitig wurden der Umwelt rund 800.000 Tonnen Kohlendioxid erspart.

Die Sorgen eines Truckers

„Wir sind besorgt, weil wir nicht genug über die neue Harnstofftechnologie wissen“, sagt Adam Collum, Manager und Mitinhaber von Hellums Trucking Co. in Dennis, Mississippi, USA.

„Ein neuer Schwerlast-Diesel-Lkw kostet jetzt etwa 100.000 US-Dollar. Durch den Einbau des Harnstoff-SCR-Systems steigen die Kosten um 10.000 US-Dollar. Wie viel mehr wird die von uns verbrannte Harnstofflösung kosten? Wie sieht es mit der Wartung aus? Verursacht der Harnstoff Korrosion?“

Doran sagt: „Harnstoff kann gegenüber Aluminium korrosiv sein. Fahrzeug-SCR-Systeme und DEF-Spender wurden so konzipiert, dass dies berücksichtigt wird, und DEF wird immer in geeigneten Behältern gelagert.“

BlueTec-Technologie in Europa

Die neuen Diesel-SUVs, die von Daimler aus Europa in die USA kommen, heißen BlueTec-Modelle, weil sie mit BlueTec-SCR-Einspritzsystemen ausgestattet sind – einer Technologie, die Mercedes-Benz seit Jahren in Lkw und Bussen in Europa einsetzt. Bei diesen Modellen wird der Harnstoff in Kartuschen geliefert, die im Rahmen der normalen Wartung ausgetauscht werden.

Detroit Diesel Corp., eine Marke von Daimler Trucks North America, hat angekündigt, in allen künftigen Lkw die BlueTec-Technologie einzusetzen.

Der Mercedes-Benz E320 BlueTec gewann den World Green Car of the Year Award 2007 unter anderem dafür, dass er „weltweit den Weg für supersaubere Dieseltechnologie ebnete“. Die Diesel-Emissionskontrolltechnologie BlueTec wurde von der Automotive Journalist Association of Canada zur besten neuen Technologie des Jahres 2007 erklärt.

Planung für die Zukunft

Die North American SCR Stakeholders Group traf sich im August in Dearborn, Michigan, um die Entwicklung einer Vertriebs- und Einzelhandelsinfrastruktur weiter zu planen, um die DEF-Verfügbarkeit in den Vereinigten Staaten sicherzustellen. Zu den Stakeholdern gehören Vertreter von fast 200 Organisationen, darunter Hersteller von Dieselfahrzeugen, aktuelle und potenzielle DEF-Hersteller, Kraftstoff- und Ausrüstungshändler und -händler sowie die US-Umweltschutzbehörde EPA und das Energieministerium, heißt es in einer Pressemitteilung von SCR Stakeholders vom 11. August.

Ein Teil der Arbeit der SCR-Stakeholder-Gruppe umfasst die Entwicklung eines Website-Locators für DEF, ähnlich dem, der für AdBlue in Europa verwendet wird.

In Europa haben sich die AdBlue-Preise seit Mitte 2007 fast verdoppelt, und die Hersteller haben Schwierigkeiten, Kostensteigerungen für Harnstoff aufzufangen, berichtete Today's Trucking am 18. Juli 2008 unter Berufung auf Integer Research. „Berücksichtigt man noch die Tatsache, dass die Produzenten bessere Erträge aus Harnstoff erzielen, wenn dieser als Düngemittel verkauft wird, ist es kein Wunder, dass die Preise gestiegen sind“, heißt es in dem Bericht.

DEF-Hersteller

Traditionelle Düngemittelhersteller werden wahrscheinlich den größten in den Vereinigten Staaten verwendeten DEF-Harnstoff produzieren. Zu den Produzenten der SCR Stakeholders Group gehören Agrium, Brenntag North America, Dyno Nobel, Koch Industries, Potash Corporation of Saskatchewan und Terra Industries.

Stephen Zwart von Stamicarbon sagt: „In Europa war die Herstellung von AdBlue ein Segen für viele Düngemittelhersteller, die jetzt einen Teil ihrer Produktion für Harnstofflösungen für die LKW-Industrie verwenden.“

Logistik von DEF

Keith Stokes sagt, dass die Lieferung von Harnstoff an Tankstellen kein Problem darstellen sollte. „Obwohl es in den Vereinigten Staaten mehr als 30.000 Tankstellen gibt, beliefern nur 2.200 davon 97 % des Marktes für schwere Nutzfahrzeuge.“

„In einigen Regionen benötigen Harnstofflagertanks jedoch Heizschlangen, um die Lösung über ihrem Gefrierpunkt von -11 °C zu halten.“

Pilot Travel Centers, der größte Einzelhandelsbetreiber von Reisezentren in den Vereinigten Staaten, kündigte in einer Pressemitteilung vom 29. September Pläne an, DEF Mitte bis Ende 2009 in mehr als 100 Zentren „an der Zapfsäule“ verfügbar zu machen. Die Pilotzentren werden auch vorgefertigte DEF führen.

Wässrige Harnstoffproduktion

Laut GreenCarCongress.com steigert Mitsubishi unterdessen die Produktion hochwertiger wässriger Harnstofflösung für Harnstoff-SCR-Systeme. Die Anlage des Unternehmens in Kitakyushu, Japan, läuft mit einer Kapazität von etwa 20 % – etwa 2 Millionen Liter pro Jahr. Da die SCR-Nachfrage steigt, ist geplant, die Produktion im Jahr 2008 auf 10 Millionen Liter zu steigern und im Jahr 2009 eine Kapazität von 50 % zu erreichen.

Japans Bedarf an hochwertigem wässrigem Harnstoff beträgt etwa 20.000 Kiloliter pro Jahr, Industriequellen gehen jedoch davon aus, dass er in Zukunft auf etwa 600.000 Kiloliter ansteigen wird.

Bedarf an höherer Produktion und effizienterer Nutzung von Harnstoff

„Die neuen Anforderungen an Harnstoff zur Behandlung von Dieselabgasen werden die Forschung zur Verbesserung der Effizienz seines Einsatzes als Düngemittel noch wichtiger machen“, sagt Ramon Lazo de la Vega, IFDC Senior Engineering Specialist. „IFDC arbeitet in drei Hauptbereichen daran, die Effizienz der Harnstoffnutzung zu steigern: durch tiefe Platzierung von Harnstoffbriketts, insbesondere in bewässerten Reisfeldern; durch Düngemittel mit kontrollierter Freisetzung; und durch Nitrifikation und Ureaseinhibitoren, die Stickstoffverluste in die Luft durch Verflüchtigung verringern und.“ durch Auswaschung ins Grundwasser gelangen.

„Auch neue Harnstoffanlagen werden gebaut. So eröffnen beispielsweise zwei große Harnstoffanlagen im Iran und jeweils eine in Ägypten, Nigeria, Oman und Russland.“

Amit Roy vom IFDC sagt: „Die meisten grundlegenden Düngemittelprodukte, die heute verwendet werden – einschließlich wesentlicher Verbesserungen von Harnstoff für landwirtschaftliche Zwecke – wurden in den 1950er bis 1970er Jahren vom Düngemittelprogramm der in den USA ansässigen Tennessee Valley Authority (TVA) entwickelt, als Energie billig schien. Mit.“ Bei der derzeitigen Herstellungstechnologie wird das Energieäquivalent von vier Barrel Öl verwendet, um „freien“ Luftstickstoff in 1 Tonne Harnstoff umzuwandeln.

„Die neuen Anforderungen unterstreichen den Forschungsbedarf zur Entwicklung einer neuen Reihe energieeffizienterer Technologien – nicht nur für Lebensmittel, sondern jetzt auch für die Verwendung mit Kraftstoffen“, sagt Roy.

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