DIPLOMARBEIT

zur Erlangung des akademischen Grades

"Master of Science in Engineering"

Biodieseleinsatz bei Baumaschinen

ausgeführt von Ing. Johannes Maschl, BSc.

Wien, 07.01.2009

Ausgeführt an der FH Technikum Wien

Studiengang MIWI3

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Kurzfassung und Abstract

English Version

The operation of an internal combustion engine requires fuel. This fact has been

known since the development of the first engines in the late 1800´s. As fossil fuels

are a limited source of power, more sustainable ways of energy supply need to be

investigated, tested and implemented. Alternative fuels such as Biodiesel have been

investigated and used for more than 30 years, especially in Austria.

This master thesis focuses on the use of non-fossil diesel fuels for powering

construction machines such as Excavators, Wheel Loaders and Off-Highway Trucks.

Those machines are mostly powered by diesel engines and as they consume huge

amounts of fuel while moving earth, they are an interesting area of improvement.

The author drew the conclusion that all construction machines, powered by diesel

engines, can be run on pure Biodiesel when particular application parameters are

met and the consequences are taken into account. Furthermore the author

encourages the representatives of the earthmoving business to perform field tests for

proving the suitability of Biodiesel for the use in diesel engines. This could

furthermore lead to a reduced dependence on fossil diesel in this industrial sector.

Deutsche Version

Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts ist bekannt, dass Treibstoff notwendig ist, um

Verbrennungsmotoren zu betreiben. Da fossile Energieträger nur begrenzt

vorhanden sind, müssen nachhaltige Strategien zur Kraftstoffversorgung entwickelt,

getestet und eingeführt werden. Alternative Treibstoffe, speziell Biodiesel wurden in

Österreich seit mehr als 30 Jahren laufend weiterentwickelt.

Diese Diplomarbeit befasst sich mit dem Einsatz von erneuerbaren Energiequellen

für Erdbewegungsgeräte wie z.B. Bagger, Radlader und Muldenkipper. Da die

meisten Baumaschinen weltweit von Dieselmotoren mit hohem Treibstoffkonsum

angetrieben werden, ist diese Branche für F & E am Biodieselsektor interessant.

Der Autor kommt zur Schlussfolgerung, dass Biodiesel einen Ersatz für fossilen

Diesel darstellen kann, wenn bestimmte Einsatzparameter erfüllt und die

Auswirkungen berücksichtigt werden. Weiters fordert der Autor die Vertreter der

Erdbewegungsbranche auf, großflächige Feldtests zur Erprobung von Biodiesel als

Treibstoff für Baumaschinen durchzuführen, da die vermehrte Anwendung von

Biodiesel die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern einschränken kann.

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Danksagung

Ich bedanke mich hiermit bei folgenden Personen, Institutionen und Unternehmen

für die direkte oder indirekte Mithilfe bei der Erstellung dieser Diplomarbeit:

· Bei der Zeppelin Österreich GmbH für das zur Verfügung Stellen der

technischen Literatur hinsichtlich der Erdbewegungsprodukte von

CATERPILLAR

· Bei Werner Körbitz vom ,,Austrian Biofuels Institute" für die Übermittlung der

Fachliteratur zum Thema Biodiesel

· Bei Andreas Kiesling für die Gewährung von Einblicken in die Welt der

Biodieselerzeugung

· Bei Werner Koliander für die Informationen hinsichtlich Biodieselnormung und

Analyse

· Bei Franz Tatzber für die Übermittlung von Biodieselgrundlagen und die

Erläuterung von Produktionsmöglichkeiten

· Bei meinen Diplomarbeitsbetreuern Daniel Leutgeb und Gert Schweiger für

die stetige Fokussierung auf die Kerninhalte dieser Diplomarbeit und bei der

damit einhergehenden, großen Unterstützung während der Erstellung

· Bei meiner Familie und Bekannten für die Unterstützung während der

Diplomarbeitserstellung

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Inhaltsverzeichnis

1. Problem- und Aufgabenstellung 5

2. Einleitung 6

2.1

Inhalt der Arbeit 6

2.2

Definition der Methode 6

2.3

Arbeitsumfeld bzw. Praxisbezug 6

2.4

Verweis auf verwandte Arbeiten 7

3. Grundlagen 9

3.1

Globale Rahmenbedingungen 9

3.1.1

Produktionspotential für Biotreibstoffe 9

3.1.2

Treibstoffverbrauch in Österreich 10

3.1.3

Das Kyoto - Protokoll 12

3.2

Grundlagen der Erdbewegung 14

3.2.1

Lösen des Materials 14

3.2.1.1

Lösen durch Bagger 15

3.2.1.2

Lösen durch Lader 16

3.2.1.3

Lösen durch Schubraupen 17

3.2.2

Laden des Materials 18

3.2.3

Transportieren des Materials 18

3.2.4

Einbauen des Materials 20

3.2.5

Zusammenfassung der Erdbewegungsgrundlagen 21

3.2.6

Der Baumaschinenmarkt 22

3.3

Erforderliche Dieselmotorgrundlagen 24

3.3.1

Aufbau und Funktionsweise eines Dieselmotors 24

3.3.2

Abgase im Dieselmotor 25

3.3.3

Treibstoffanforderungen 27

3.4

Biodieselgrundlagen 28

3.4.1

Herstellung von Biodiesel 29

3.4.1.1

Umesterung 30

Seite 1

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3.4.2

Rohstoffe für Biodiesel 33

3.4.2.1

Rapsöl 33

3.4.2.2

Sonnenblumenöl 35

3.4.2.3

Sojaöl 36

3.4.2.4

Jatropha 38

3.4.2.5

Palmöl 39

3.4.2.6

Altspeiseöl 40

3.4.2.7

Tierfett 41

3.4.2.8

Rohölpotential in Österreich 42

3.4.3

Produktionskapazitäten für Biodiesel 44

3.4.3.1

Produktionskapazitäten für Biodiesel in Österreich 44

3.4.3.2

Weltweite Produktionskapazitäten 45

3.4.4

Eigenschaften von Biodiesel 47

3.4.4.1

Chemische Zusammensetzung 48

3.4.4.2

Analyse und Standardisierung 49

3.4.4.3

Estergehalt 51

3.4.4.4

Dichte 51

3.4.4.5

Kinematische Viskosität 51

3.4.4.6

Flammpunkt 52

3.4.4.7

Verdampfungstemperatur bei Umgebungsdruck 52

3.4.4.8

Kälteverhalten 53

3.4.4.9

Schwefelgehalt 54

3.4.4.10

Koksrückstand 54

3.4.4.11

Cetanzahl 54

3.4.4.12

Sulfatasche 55

3.4.4.13

Wassergehalt 55

3.4.4.14

Gesamtverschmutzung 55

3.4.4.15

Korrosionswirkung auf Kupfer 56

3.4.4.16

Oxidationsstabilität 56

3.4.4.17

Säurezahl 56

3.4.4.18

Methanolgehalt 56

3.4.4.19

Iodzahl 57

3.4.4.20

Gehalt an Linolensäure - Methylester 57

3.4.4.21

Gehalt an FAME mit mehr als drei Doppelbindungen 57

3.4.4.22

Freies Glycerin 58

3.4.4.23

Monoglyceride, Diglyceride und Triglyceride 58

3.4.4.24

Gesamtglycerin 59

3.4.4.25

Phosphorgehalt 59

3.4.4.26

Alkalizahl 59

Seite 2

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3.4.4.27

Zusammenfassung der Biodieselparameter 60

3.4.5

Vergleich von Biodiesel und fossilem Diesel 64

3.4.5.1

Vorteile von Biodiesel 64

3.4.5.2

Nachteile von Biodiesel und Lösungsansätze 65

3.4.5.3

Zusammenfassung der Unterschiede 67

4. Anwendung von Biodiesel bei Baumaschinen 69

4.1

Mögliche Mischungsverhältnisse 69

4.2

Bekannte Einsatzgebiete von B100 73

4.3

Vorgaben und Erfahrungen der Motorenhersteller 74

4.3.1

Vorgaben von JCB 74

4.3.2

Richtlinien von CATERPILLAR 75

4.3.3

Erfahrungen vom Motorenhersteller DEUTZ 76

4.3.4

Erfahrungen diverser anderer Hersteller 77

4.4

Kriterien bei der Verwendung von Biodiesel bei Baumaschinen 79

4.4.1

Durchschnittliche Motorbelastung 80

4.4.2

Max. Motorbelastung 84

4.4.3

Einsatzhäufigkeit 85

4.4.4

Einsatzhöhe 85

4.4.5

Einsatzort 86

4.4.6

Lieferantenverfügbarkeit 86

4.4.7

Lagerhaltung 87

4.4.8

Rußpartikelfilter & NOx-Emissionen 87

4.4.9

Motorbaujahr 88

4.4.10

Zusammenfassung der Einsatzkriterien 88

5. Diskussion 89

5.1

Überlegungen zum Thema Substitution von Erdöl durch Pflanzenöle 89

5.2

Marktsituation der Biodieselproduktion 91

5.2.1

Ethischer Standpunkt 92

5.2.2

Wirtschaftlicher Standpunkt 94

Seite 3

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5.3

Biotreibstoffe der Zukunft 96

5.3.1

Biodiesel durch Algen 96

5.3.2

Greendiesel 98

5.3.3

Fischer ­ Tropsch ­ Diesel 100

5.4

Abgeleitete Thesen 102

5.5

Schlusswort 103

Abkürzungsverzeichnis 108

Glossar 109

Literaturverzeichnis 111

Die Bezeichnungen sollen immer geschlechtsneutral verstanden werden.

Seite 4

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1. Problem- und Aufgabenstellung

Seit der Erfindung des Dieselmotors ist Biodiesel als mögliche Kraftstoffvariante

bekannt. Erste Tests mit Erdnussöl wurden von Rudolf Diesel selbst durchgeführt.

Aufgrund der niedrigen Preise für fossile Treibstoffe am Ende des 19. Jahrhunderts

wurde eine flächendeckende Anwendung von Biodiesel jedoch nicht weiter verfolgt.

Moderne Dieselmotoren wurden seitdem auf den Einsatz von fossilem Diesel hin

optimiert.

Seit der ersten Ölkrise in den 1970er Jahren wurden wegen der realisierten

Abhängigkeit von fossilen Treibstoffen und deren Produktionsländern Iran, Saudi-

Arabien, Kuwait usw., neue Wege der Energieversorgung benötigt. Besonders die

Industrieländer sahen sich gezwungen, alternative Energieformen zu entwickeln bzw.

deren Anwendung zu ermöglichen.

Biodiesel ist aufgrund der großen Verbreitung von Dieselmotoren die derzeit einzige,

bereits anwendbare, erneuerbare Treibstoffalternative zu fossilem Diesel, die auch

für den Antrieb von Baumaschinen geeignet ist. Der Einsatz von modernen

Biodieseltreibstoffen wird von vielen Motorherstellern jedoch nicht ohne

Einschränkungen akzeptiert. Die meisten bekannten Probleme, welche diese

negative Haltung bewirken, resultieren vermutlich aufgrund von falschem Einsatz der

Treibstoffe bzw. der Nichtbeachtung wichtiger Grundlagen. Biodiesel wird weiters als

einheitliches Produkt angesehen, dass alle bekannten Vor- und Nachteile gleichzeitig

aufweist. Diese Arbeit soll Klarheit darüber schaffen, dass nicht alle

Biodieseltreibstoffe für jeden Einsatz geeignet sind, durch die gezielte Mischung von

Kraftstoffen untereinander ist es aber z.B. möglich, die relevanten

Kraftstoffeigenschaften zu optimieren und die Nachteile damit zu reduzieren.

Weiters stellt diese Diplomarbeit eine Analyse der gängigsten Einsatzsituationen von

Baumaschinen hinsichtlich der richtigen Nutzung von Biodiesel dar. Ebenfalls soll sie

als Grundlage für die notwendigen Anpassungen an das vorherrschende

Arbeitsumfeld der Erdbewegungsgeräte dienen. Der Autor möchte gezielt darauf

aufmerksam machen, dass die Biodieselforschung bereits viele Erfahrungen und

Erfolge aufweisen kann. Dies soll im Weiteren das Interesse der Baumaschinen-

bzw. Motorenhersteller an weiteren Praxistests anregen, damit die

Biodieseltechnologie zukünftig einen größeren Teil zum Antrieb von Baumaschinen

beitragen kann.

Seite 5

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2. Einleitung

2.1 Inhalt

der

Arbeit

Diese Diplomarbeit befasst sich mit den Einsatzmöglichkeiten von Biodiesel als

Treibstoff für Baumaschinen. Zu Beginn werden die globalen Rahmenbedingungen

für den Einsatz von Biodiesel analysiert. Die Grundlagen der Erdbewegung werden

ebenfalls erläutert und sollen einen Überblick über die Einsatzgebiete von

Baumaschinen ermöglichen. Es werden weiters die wichtigsten

Dieselmotorgrundlagen angeführt. Als Abrundung dient eine Erläuterung der

Biodieselherstellung mit allen relevanten Informationen. Zusammengefasst sollen

diese Grundlagen dem Leser helfen, die Anforderungen an Biodiesel und die

technischen Inhalte dieser Arbeit besser zu verstehen.

2.2 Definition der Methode

Die Aufarbeitung der bestehenden Literatur zum Thema Biodiesel dient dem Autor

als Grundlage zur Bewertung der einzelnen Biodieselprodukte hinsichtlich ihrer

Eignung als Kraftstoff für die häufigsten Einsatzgebiete von Baumaschinen. Diese

Grundlagen werden im Laufe der Arbeit dann herangezogen, um die

Einsatzparameter für die Verwendung von Biodiesel bei Baumaschinen festzulegen.

Es handelt sich daher um eine qualitative Arbeit mit logischen Erkenntnissen die als

Thesen dargestellt werden.

2.3 Arbeitsumfeld bzw. Praxisbezug

Der Verfasser dieser Arbeit ist bei der Zeppelin Österreich GmbH beschäftigt. Dieses

Unternehmen hat die Generalvertretung für CATERPILLAR Baumaschinen am

österreichischen Markt inne. Aus diesem Grund wird im Verlauf der Arbeit vermehrt

Bezug auf die Eigenheiten und technischen Spezifikationen der

Erdbewegungsgeräte von CATERPILLAR genommen. Biotreibstoffe gewinnen in der

Baumaschinenbranche politisch, technisch wie auch wirtschaftlich immer mehr an

Bedeutung und daher wurde dieses Thema anhand einer wissenschaftlichen Arbeit

bearbeitet.

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