Zwitserse onderzoek met dimethylether als alternatieve brandstof voor vrachtwagens

De Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) onderzoekt een nieuw aandrijvingsconcept met een speciale testmotor. Vrachtwagens moeten in de toekomst minder CO2 uitstoten en tegelijkertijd voldoen aan strengere emissienormen. Veel deskundigen verwachten dat fossiele diesel binnenkort onder druk komt te staan. Een mogelijke alternatieve brandstof is dimethylether. Deze licht vluchtige stof kan worden geproduceerd uit hernieuwbare energie en verbrandt zeer schoon.

(Dübendorf/St. Gallen/Thun) Het runnen van een vrachtwagenvloot is een zware onderneming. Van romantiek voor vrachtwagenchauffeurs is weinig te merken, maar er is veel concurrentie en hoge prijsdruk. Steeds strengere milieuwetten zullen deze druk de komende jaren verder verhogen, met als doel een lagere CO2-uitstoot en strenge emissiewaarden, vooral met betrekking tot stikstofoxiden (NOx). Als vrachtwagenoperators niet investeren in de nieuwste technologie, lopen ze in veel landen het risico op hogere tol- of belastingkosten.

Alternatief dimethylether

Veel fabrikanten en operators van vrachtwagens overwegen nu alternatieve aandrijvingen om de milieuvriendelijkheid van hun vloot te verbeteren. Voor vrachtwagens die lange ritten maken, zijn elektrische aandrijvingen echter nauwelijks geschikt: de batterijen zouden te zwaar zijn, de laadtijden te lang en de vereiste laadvermogens te hoog voor een concurrerende inzet. Waterstof zou dit probleem kunnen oplossen: vanaf september 2020 rijden de eerste waterstofbrandstofcelvrachtwagens van Hyundai in Zwitserland in commerciële testoperaties. Ook synthetisch aardgas uit overtollige groene stroom wordt onderzocht: vanaf 2021 worden de eerste aardgasvrachtwagens op de mobiliteitsdemonstrator move van Empa getankt. Maar er is nog een andere alternatieve brandstof die geschikt zou zijn voor langeafstandstransporten en een nadere beschouwing verdient: dimethylether.

Goedkope infrastructuur, schone verbranding

De chemische stof dimethylether (DME) wordt op grote schaal geproduceerd, met meerdere tienduizenden tonnen per jaar. De stof wordt als drijfgas in spuitbussen gebruikt en is een bestanddeel van koelmiddelen in koelsystemen. Daarnaast is DME als tussenproduct in de chemische industrie wijdverspreid. Het voordeel: het kan kosteneffectief en bijna zonder verlies uit methanol worden geproduceerd, wat op zijn beurt goedkoop kan worden geproduceerd met elektriciteit uit zonne- en windenergie. DME biedt dus de kans om vrachtwagens CO2-neutraal te laten rijden. Een ander voordeel: DME heeft vergelijkbare eigenschappen als vloeibaar gas. Het kan - in tegenstelling tot waterstof - in goedkope tanks onder lage druk in vloeibare vorm worden vervoerd en opgeslagen; ook de technologie voor tankstations is kosteneffectief, wereldwijd bekend en al tientallen jaren in gebruik. Omdat zuurstof chemisch gebonden is in dimethylether, verbrandt de stof bovendien bijzonder schoon en met een lage roetvorming.

Testen in een gemodificeerde vrachtwagenmotor

In het verleden zijn er al pogingen gedaan met dimethylether als brandstof: Volvo Trucks voert sinds 2013 in Zweden en de VS praktijkproeven uit met experimentele vrachtwagens die op DME rijden. In Duitsland loopt sinds 2016 een onderzoeksproject, gecoördineerd door het Ford Research and Innovation Center in Aken. De motor is al ingebouwd en getest in een Ford Mondeo. Nu zal Empa, samen met FPT Motorenforschung AG Arbon, het Politecnico di Milano, de smeermiddelenfabrikant Motorex en andere partners voortbouwen op de tot nu toe opgedane kennis. Sinds begin juli 2020 is de testmotor in gebruik in een testopstelling van de Empa-afdeling voertuig aandrijfsystemen, die betrouwbare gegevens moet opleveren over verbrandingsprocessen, efficiëntie en milieuvriendelijkheid van DME in de sector van de vrachtwagens. “We kennen deze motor al heel goed”, zegt projectleider Patrik Soltic. “Het motorblok is afkomstig van een Cursor 11-vrachtwagenmotor van de fabrikant FPT Industrial en wordt al vijf jaar gebruikt voor verschillende onderzoeksprojecten. In de afgelopen maanden hebben we het samen met onze partner FPT omgebouwd naar DME.” Dat was niet eenvoudig: het licht vluchtige DME heeft in tegenstelling tot dieselbrandstof praktisch geen smeereigenschappen, wat vooral de hogedrukpomp van het common-rail-injectiesysteem snel zou hebben beschadigd.

Bedrijf zonder additieven in de brandstof

De onderzoekers willen hun testmotor met puur DME laten draaien, zonder toevoeging van smeeradditieven, zoals gebruikelijk was bij eerdere projecten. Samen met een grote Europese leverancier is er een nieuwe, oliegesmeerde common-rail-pomp ontwikkeld. Daarnaast zijn de kleppen en klepzittingen omgebouwd naar DME-geschikte materialen. Ook wordt er een elektrisch aangedreven compressor gebruikt voor een nauwkeurige uitlaatgasrecirculatie. Ten slotte zijn ook de verbrandingsruimtes en de compressieverhouding van de voormalige dieselmotor aangepast. De nieuwe vorm van de verbrandingsruimtes is berekend met behulp van wiskundige simulaties aan het Politecnico di Milano. Het onderzoeksproject wordt mede gefinancierd door het Bundesamt für Energie (BFE).

Gesimuleerde snelwegoperatie

“Nu willen we de machine leren kennen met de nieuwe brandstof”, zegt Soltic. De onderzoekers beginnen met een gebruikelijk middenlastgebied op de snelweg, waarbij de motor 100 kW vermogen moet leveren. “Dan modificeren we onder andere het tijdstip en de druk van de injectie, kijken we naar de emissiewaarden en het brandstofverbruik.” Het grote voordeel van DME-bedrijf, zegt Soltic, is de kans om in bijna alle bedrijfsomstandigheden een zeer hoog percentage uitlaatgas in de volgende vulling van de cilinder over te nemen, via de zogenaamde uitlaatgasrecirculatie (AGR). Deze techniek maakt het mogelijk om veel NOx te besparen, wat de uitlaatgasreiniging achter de motor ontlast en het mogelijk maakt om toekomstige, strengere normen veilig te halen. Bij fossiele diesel leiden hoge uitlaatgasrecirculatiepercentages tot toenemende deeltjesemissies, wat bij DME niet het geval is. Tijdens de testfase nemen de Empa-onderzoekers regelmatig monsters van de motorolie om chemische veranderingen op te sporen. De resultaten komen terecht bij de projectpartner Motorex, die de gegevens gebruikt om een nieuwe, speciaal voor DME-werking aangepast motorolie te ontwikkelen.

Gezamenlijk onderzoek onder concurrenten

“Momenteel bevinden we ons nog in de pre-competitieve fase van het onderzoekswerk”, legt Soltic uit. De resultaten van het project zijn gedeeltelijk openbaar en worden gezamenlijk besproken onder de concurrenten in de voertuigbouw. Het platform hiervoor is de in 2001 opgerichte “International DME Association” met momenteel 50 leden uit de industrie en onderzoek. “Maar op een gegeven moment wil iedereen zijn resultaten voor zichzelf houden”, weet de Empa-onderzoeker. “Dan is het belangrijk dat we de technologie beheersen om als onderzoekspartner voor de industrie waardevolle input te kunnen leveren.”

Brandstof uit de eco-fabriek

Dimethylether (DME), de eco-brandstof voor zelfontbrandingsmotoren, kan worden geproduceerd uit waterstof en CO2. Als de gebruikte waterstof met hernieuwbare energie wordt geproduceerd en de CO2 uit de atmosfeer wordt gehaald, kunnen vrachtwagens praktisch zonder uitstoot van broeikasgassen worden aangedreven. Empa-onderzoeker Andreas Borgschulte en zijn team onderzoeken chemische processen waarmee DME zo efficiënt mogelijk kan worden geproduceerd. De methode van sorptie-ondersteunde katalyse wordt als veelbelovend beschouwd: de twee gassen waterstof en CO2 moeten in contact komen met actieve koperdeeltjes om zich te verbinden tot methanol of dimethylether. Als bijproduct ontstaat water. Als het water nu uit de reactiemix wordt verwijderd, verschuift het chemische evenwicht naar het product. Anders gezegd: pas dan ontstaan de gewenste grote hoeveelheden methanol en dimethylether. Om het water te verwijderen, gebruiken de Empa-onderzoekers zeoliet, een waterabsorberend mineraal. In laboratoriumexperimenten ontdekte het team van Borgschulte dat bij een bepaalde temperatuur uit CO2 en waterstof vooral dimethylether ontstaat en slechts een relatief kleine hoeveelheid methanol. “De productie op deze manier is dus theoretisch mogelijk”, zegt Borgschulte en voegt eraan toe: “Helaas is het proces op dit moment nog niet erg productief.” In een volgende stap moet het chemische proces dus verder worden verfijnd en moeten geschikte installaties worden ontwikkeld. Pas dan kan worden beoordeeld of de DME-productie via sorptie-ondersteunde katalyse economisch concurrerend is. Het onderzoek vond plaats in samenwerking met de Universiteit van Zürich en maakt deel uit van het project “LightChEC”.

Foto/Grafik: © Empa
www.empa.ch