In Zusammenhang mit dem Thema Elektromobilität wird dabei häufig die Frage gestellt, ob zukünftig Forschung im Bereich von Verbrennungsmotoren überhaupt noch notwendig sein wird.
Elektroantriebe, so sinnvoll diese für die urbane Mobilität sind, stellen jedoch keine Universallösung dar. Insbesondere wenn hohe Reichweiten und Nutzlasten gefordert sind, werden Verbrennungsmotoren auch in den nächsten Jahrzehnten noch eine maßgebliche Rolle spielen.
Im Pkw-Bereich wird sich die Forschung vor allem auf den Bereich der bestmöglichen Kombination von Verbrennungsmotor und Elektromotor (Hybridkonzepte) fokussieren. Neben der Elektrifizierung des Antriebsstrangs werden zudem der Einsatz sogenannter „eFuels“ (mit Überschusselektrizität aus erneuerbaren Energien produzierte Kraftstoffe) und das Ziel, nahezu Nullemissionen zu erreichen, zentrale Forschungsthemen darstellen.
Großmotoren
Im Vergleich zum Mobilitätsbereich zeichnet sich für den zukünftigen Einsatz von konventionellen Verbrennungsmotoren im Großmotorenbereich ein wesentlich klareres Bild. Wie Abbildung 1 links auf Basis der verkauften Motorleistungen (Motoren > 1MW) für das Jahr 2015 verdeutlicht, werden Großmotoren in einem sehr hohen Ausmaß für die Energieerzeugung eingesetzt. In vielen Fällen handelt es sich dabei um KWK(Kraft-Wärme-Kopplung)- Anlagen, bei denen gleichzeitig Strom und Wärme produziert wird. Eine Hauptanwendung für den Großmotor stellt auch der Marinebereich dar. Verbrennungsmotoren liefern dabei im Verbund Motor – Generator die elektrische Energie für den Schiffsantrieb oder wirken – wie insbesondere bei den großen Containerschiffen – direkt auf den Propeller. Darüber hinaus sind Großmotoren in vielen weiteren Applikationen, wie etwa für den Antrieb von Lokomotiven oder Mining Trucks, zu finden.
Entwicklung des Wirkungsgrads von General Electric-Gasmotoren.
Beim Einsatz von Verbrennungsmotoren für die Energieerzeugung ist ein Ersatz per se nicht möglich. In Zusammenhang mit der Bereitstellung von Spitzenstrom zum Ausgleich von Schwankungen, die durch die Produktion auf Basis erneuerbarer Quellen (Solar und Wind) bedingt sind, kann aufgrund der schnellen Reaktionszeiten zukünftig sogar von einer Erhöhung des Anteils ausgegangen werden. Auch in der Seeschifffahrt, die weltweit gesehen für etwa 90 Prozent aller Warentransporte verantwortlich zeigt, werden Verbrennungsmotoren in absehbarer Zukunft nicht ersetzt werden können. Elektrische Antriebe können dabei aus technischen Gründen – wie etwa Gewicht oder Reichweite – nur in Ausnahmefällen realisiert werden. Im Bereich der mechanischen Antriebe wird der Verbrennungsmotor überall dort unverzichtbar bleiben, wo keine Elektrizität verfügbar ist.
Gasmotoren
Abbildung 1 zeigt die Verteilung der für die Großmotoren eingesetzten Kraftstoffe. Schweröl, das vorwiegend im Marinebereich zu finden ist, und konventioneller Dieselkraftstoff haben mit in Summe ca. 85 Prozent nach wie vor den größten Anteil. Gas liegt bei einem Anteil von etwa 15 Prozent. Es ist aber ein klarer Trend zu einer Erhöhung des Gasanteils zu erkennen. Dafür sind zum einen die bessere Umweltverträglichkeit und die hohe Verfügbarkeit von Erdgas verantwortlich. Zum anderen haben dazu aber vor allem auch die rasanten technologischen Entwicklungen der letzten Jahre beigetragen. Als Beispiel ist dazu in Abbildung 2 die Entwicklung des Wirkungsgrads des Baureihe-6-Motors von General Electrics, die in erheblichem Maße auch durch die langjährige und erfolgreiche Forschungskooperation von General Electrics mit der TU Graz sowie dem LEC ermöglicht wurde, dargestellt. Der elektrische Wirkungsgrad konnte dabei um etwa 10 Prozentpunkte auf über 47 Prozent gesteigert werden, was einer Kraftstoffverbrauchseinsparung von mehr als 20 Prozent entspricht. Mit den hubraumgrößeren Motoren der 10-MW-Klasse können bereits Wirkungsgrade über 50 Prozent realisiert werden. Damit hat der Gasmotor den Dieselmotor im Bereich Wirkungsgrad ebenso wie im Leistungsvermögen eingeholt.
Dies ist auch aus Abbildung 3, die eine grundsätzliche Bewertung von Gas- und Dual-Fuel-Motoren (Motoren, die den wahlweisen Einsatz von Diesel und Erdgas ermöglichen) im Vergleich zum Dieselmotor darstellt, ersichtlich. Gemeinsam mit dem ausgezeichneten Emissionsverhalten führt dies zu einem verstärkten Einsatz von Gasmotoren.
Bewertung von Gas-, Dual-Fuel- und Dieselmotoren.
Spitzenforschung im Bereich Großmotoren
Nachteile für den Gasmotor bestehen noch im transienten Verhalten, in der Robustheit und in der Kraftstoffflexibilität. Deren Beseitigung stellt eine wesentliche Grundlage des Forschungsprogramms des COMET-K1-Zentrums LEC EvoLET dar. Das internationale Partnernetzwerk des LEC EvoLET mit weltweit führenden Forschungseinrichtungen sowie Industriepartnern, das COMET-Forschungsprogramm und die Infrastruktur an der TU Graz bieten ideale Rahmenbedingungen für Spitzenforschung in diesem Bereich.
