Biodieseleinsatz bei Baumaschinen

Inhaltsverzeichnis

1. Problem- und Aufgabenstellung

2. Einleitung
2.1 Inhalt der Arbeit
2.2 Definition der Methode
2.3 Arbeitsumfeld bzw. Praxisbezug
2.4 Verweis auf verwandte Arbeiten

3. Grundlagen
3.1 Globale Rahmenbedingungen
3.1.1 Produktionspotential für Biotreibstoffe
3.1.2 Treibstoffverbrauch in Österreich
3.1.3 Das Kyoto - Protokoll
3.2 Grundlagen der Erdbewegung
3.2.1 Lösen des Materials
3.2.1.1 Lösen durch Bagger
3.2.1.2 Lösen durch Lader
3.2.1.3 Lösen durch Schubraupen
3.2.2 Laden des Materials
3.2.3 Transportieren des Materials
3.2.4 Einbauen des Materials
3.2.5 Zusammenfassung der Erdbewegungsgrundlagen
3.2.6 Der Baumaschinenmarkt
3.3 Erforderliche Dieselmotorgrundlagen
3.3.1 Aufbau und Funktionsweise eines Dieselmotors
3.3.2 Abgase im Dieselmotor
3.3.3 Treibstoffanforderungen
3.4 Biodieselgrundlagen
3.4.1 Herstellung von Biodiesel
3.4.1.1 Umesterung
3.4.2 Rohstoffe für Biodiesel
3.4.2.1 Rapsöl
3.4.2.2 Sonnenblumenöl
3.4.2.3 Sojaöl
3.4.2.4 Jatropha
3.4.2.5 Palmöl
3.4.2.6 Altspeiseöl
3.4.2.7 Tierfett
3.4.2.8 Rohölpotential in Österreich
3.4.3 Produktionskapazitäten für Biodiesel
3.4.3.1 Produktionskapazitäten für Biodiesel in Österreich
3.4.3.2 Weltweite Produktionskapazitäten
3.4.4 Eigenschaften von Biodiesel
3.4.4.1 Chemische Zusammensetzung
3.4.4.2 Analyse und Standardisierung
3.4.4.3 Estergehalt
3.4.4.4 Dichte
3.4.4.5 Kinematische Viskosität
3.4.4.6 Flammpunkt
3.4.4.7 Verdampfungstemperatur bei Umgebungsdruck
3.4.4.8 Kälteverhalten
3.4.4.9 Schwefelgehalt
3.4.4.10 Koksrückstand
3.4.4.11 Cetanzahl
3.4.4.12 Sulfatasche
3.4.4.13 Wassergehalt
3.4.4.14 Gesamtverschmutzung
3.4.4.15 Korrosionswirkung auf Kupfer
3.4.4.16 Oxidationsstabilität
3.4.4.17 Säurezahl
3.4.4.18 Methanolgehalt
3.4.4.19 Iodzahl
3.4.4.20 Gehalt an Linolensäure - Methylester
3.4.4.21 Gehalt an FAME mit mehr als drei Doppelbindungen
3.4.4.22 Freies Glycerin
3.4.4.23 Monoglyceride, Diglyceride und Triglyceride
3.4.4.24 Gesamtglycerin
3.4.4.25 Phosphorgehalt
3.4.4.26 Alkalizahl
3.4.4.27 Zusammenfassung der Biodieselparameter
3.4.5 Vergleich von Biodiesel und fossilem Diesel
3.4.5.1 Vorteile von Biodiesel
3.4.5.2 Nachteile von Biodiesel und Lösungsansätze
3.4.5.3 Zusammenfassung der Unterschiede

4. Anwendung von Biodiesel bei Baumaschinen
4.1 Mögliche Mischungsverhältnisse
4.2 Bekannte Einsatzgebiete von B100
4.3 Vorgaben und Erfahrungen der Motorenhersteller
4.3.1 Vorgaben von JCB
4.3.2 Richtlinien von CATERPILLAR
4.3.3 Erfahrungen vom Motorenhersteller DEUTZ
4.3.4 Erfahrungen diverser anderer Hersteller
4.4 Kriterien bei der Verwendung von Biodiesel bei Baumaschinen
4.4.1 Durchschnittliche Motorbelastung
4.4.2 Max. Motorbelastung
4.4.3 Einsatzhäufigkeit
4.4.4 Einsatzhöhe
4.4.5 Einsatzort
4.4.6 Lieferantenverfügbarkeit
4.4.7 Lagerhaltung
4.4.8 Rußpartikelfilter & NOx-Emissionen
4.4.9 Motorbaujahr
4.4.10 Zusammenfassung der Einsatzkriterien

5. Diskussion
5.1 Überlegungen zum Thema Substitution von Erdöl durch Pflanzenöle
5.2 Marktsituation der Biodieselproduktion
5.2.1 Ethischer Standpunkt
5.2.2 Wirtschaftlicher Standpunkt
5.3 Biotreibstoffe der Zukunft
5.3.1 Biodiesel durch Algen
5.3.2 Greendiesel
5.3.3 Fischer – Tropsch – Diesel
5.4 Abgeleitete Thesen
5.5 Schlusswort

Abkürzungsverzeichnis

Glossar

Literaturverzeichnis

Die Bezeichnungen sollen immer geschlechtsneutral verstanden werden

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.

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.

2.4 Verweis auf verwandte Arbeiten

Diese Arbeit befasst sich mit dem Themenkreis Biodiesel, der schon zuvor, mit den Schwerpunkten Automobilbranche und Landmaschinentechnik, anhand von wissenschaftlichen Arbeiten analysiert wurde. Der Einsatz von Biodiesel bei Baumaschinen wurde in diesem Ausmaß jedoch noch nicht wissenschaftlich behandelt.

Dies bedeutet, dass unmittelbar relevante Arbeiten existieren, die sich ähnlicher Methoden bedienen, jedoch nicht dasselbe Ziel verfolgen. Die Abgrenzung zu diesen Werken ist folgendermaßen erkennbar:

- Altmann (2002) erläuterte mit seiner Diplomarbeit „Grundlagen der Lebenszyklusanalyse der Biodieselproduktion auf Sonnenblumenbasis“ die ökonomisch – technisch – ökologischen Auswirkungen der Sonnenblumenproduktion und deren Umwandlung zu Biodiesel. Daher wurde die Anwendung des resultierenden Biodieseltreibstoffes ebenfalls nicht genauer betrachtet
- Pernkopf (2002) thematisierte ebenso die technischen Spezifikationen von Biodiesel, konzentrierte sich in ihrer Diplomarbeit zum Thema „Umweltschonende Kraftstoffe am Beispiel Biodiesel: Stand der Diskussion und Ausblick“ jedoch eher auf die externen Effekte des Verkehrs sowie die Versorgungssicherheit von Dieseltreibstoffen
- Friedrich (2003) konzentrierte den Inhalt seiner Diplomarbeit „A world wide review of the commercial production of Biodiesel“ auf die weltweiten Produktionskapazitäten von Biodiesel, wodurch die Anwendung des Treibstoffes auch nebensächlich behandelt wurde
- Burger (2006) beschäftigte sich bei der Erstellung der Diplomarbeit „Rapsanbau in Österreich – seine energiewirtschaftliche Verwertung als NAWARO“ hauptsächlich mit der Herstellung und Verwendung von Rapsöl, ein Fokus auf die Anwendung des Treibstoffes war jedoch nicht aufzufinden
- Apl (2007) recherchierte für seine Diplomarbeit mit dem Titel „Substitutionspotential von Biodiesel durch die Verarbeitung von Tierfetten zu alternativen Treibstoffen“ ebenfalls die Herstellung von Biodiesel sowie dessen Eignung für Verbrennungsmotoren. Der Fokus der Arbeit lag jedoch auf der Ökonomie der Herstellung von Biodiesel aus tierischen Fetten

Eine Aufarbeitung der Erkenntnisse der genannten Arbeiten bezüglich der Herstellung und Eigenschaften der einzelnen Biodieselrohstoffe ist im Kapitel Biodieselgrundlagen zu finden.

Die Normung, Qualitätskontrolle und sonstige, technisch – chemische Eigenschaften von Biodiesel wurden zuvor einerseits durch die Dissertation von Plank (1993) mit dem Titel „Analysemethoden zur Qualitätskontrolle von Biodiesel“ sowie andererseits dem umfassenden Biodieselnachschlagwerk „Biodiesel – the comprehensive Handbook“, erstellt von Mittelbach et. al. (2004) analysiert. Die wichtigsten Erkenntnisse dieser beiden Werke dienten zur Aufarbeitung des Kapitels Eigenschaften von Biodiesel. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt jedoch auf den positiven und negativen Auswirkungen dieser Eigenschaften hinsichtlich des Betriebs von Baumaschinen mit Biodiesel.

3. Grundlagen

3.1 Globale Rahmenbedingungen

„Der weltweite Erdölverbrauch liegt weltweit bei 30,4 Mrd. [bbl] pro Jahr“ (vgl. www.oilmarketreport.org, letzter Zugriff am 20.10.2008). Dies entspricht einer Erdölmenge von 4.833 Mrd. [l]. Bei der Förderleistung von modernen Raffinerien wird ein Dieselanteil von 21 [%] fraktioniert. Daher ergibt sich ein weltweiter Dieselverbrauch von 1.015 Mrd. [l] Diesel pro Jahr.

3.1.1 Produktionspotential für Biotreibstoffe

Auf einem [ha] europäischen Ackerlandes können durchschnittlich 3 [t] Raps angebaut werden (vgl. www.statistik-austria.at, letzter Zugriff am 23.10.2008). „Davon können etwa 45 [%] als Rohöl weiterverarbeitet werden.“ (Sperber et. al, 1988 zitiert nach Burger, 2006, S. 15). Mit einer Dichte von 0,92 [kg / dm³] ergibt dies eine Ausbringungsmenge von 1.467 [l] Rohöl pro [ha] europäischen Rapsfeldes.

Wenn man die Rapsfruchtfolge von durchschnittlich 3,5 Jahren berücksichtigt, dann müssten jährlich 2,4 Mrd. [ha] Ackerland für die Rapserzeugung zur Verfügung stehen, um die weltweite Dieselnachfrage durch Biodiesel aus Raps abdecken zu können.

Die Erde hat eine Oberfläche von 510 Mio. [km²]. Davon entfallen 29,3 [%], also 14,9 Mrd. [ha] auf Landfläche. Die weltweit verfügbare Ackerfläche ist seit Jahrzehnten mit 1,4 Mrd. [ha] ziemlich konstant (vgl. www.pflanzenschutz.fcio.at, letzter Zugriff am 19.10.2008). Die Ackerfläche beträgt daher knapp 10 [%] der gesamten Landfläche. Trotzdem würden wir, obwohl die Berechnungen nur die besonders effektiven europäischen Wachstumsbedingungen berücksichtigen, die 1,7 fache Ackerfläche benötigen, um den aktuellen Dieselbedarf weltweit zu decken. Die 100 [%] Substitution von fossilem Diesel durch Biodiesel aus landwirtschaftlichen Rohstoffen ist beim aktuellen Verbrauch daher nicht möglich.

3.1.2 Treibstoffverbrauch in Österreich

Für das Jahr 2005 wurde in Österreich ein Dieselverbrauch von 268.000 [TJ] ermittelt (vgl. Bittermann, 2007, S. 6). Mit einem Heizwert von 42,8 [MJ / kg] und einer Dichte von 0,82 [kg / dm³] (vgl. kfz-tech.de, letzter Zugriff am 19.10.2008) ergibt sich ein österreichischer Dieselverbrauch von 7,64 Mrd. [l] Diesel im Jahr 2005. Auf Österreich entfielen 2005 damit 0,75 [%] des weltweiten Dieselkonsums.

Die Weltbevölkerung zählte im Jahr 2005 6,5 Mrd. Menschen, 8,2 Mio. davon waren Österreicher (vgl. http://www.weltbevoelkerung.de, letzter Zugriff am 24.11.2008). Dies bedeutet, dass Österreich mit 0,13 [%] der Weltbevölkerung, 0,75 [%] des verfügbaren Diesels konsumiert.

3,86 Mrd. [l], also knapp 51 [%] der österreichischen Dieselverbrauchsmenge wurden über das Tankstellennetz vertrieben, welches hauptsächlich den Verkehr versorgt. Die Tabelle 1 zeigt die Zwischenergebnisse bei der Berechnung des erläuterten Dieselverbrauches.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Schrittweise Berechnung des Dieselverbrauches in Österreich im Jahr 2005 anhand von Heizwert und Dichte (vgl. www.statistik-austria.at, letzter Zugriff am 23.10.2008)

Die EU-Beimischungspflicht für Biodiesel sieht die in Tabelle 2 dargestellten Beimengungen von Biodiesel zu fossilem Diesel vor (vgl. http://ec.europa.eu, letzter Zugriff am 19.10.2008).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: EU-Beimischungsziele bis 2020 (vgl. http://ec.europa.eu und www.parlament.gv.at, letzter Zugriff am 19.10.2008)

Zusätzlich ging die österreichische Regierung noch einen Schritt weiter und hat das Beimischungsziel von 5,75 [%] bereits für 2008 und eine Steigerung auf 10 [%] für 2010 festgelegt (vgl. www.umweltbundesamt.at, letzter Zugriff am 19.10.2008). Auf Basis des Dieselverbrauches von 2005 wären bis 2020 in Österreich die Biodieselmengen laut Tabelle 3 erforderlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Beimischungsziel in Österreich bis 2020 (Berechnungen anhand der Daten von www.umweltbundesamt.at, letzter Zugriff am 19.10.2008)

3.1.3 Das Kyoto - Protokoll

„Bereits 1992 bei der Konferenz der Vereinten Nationen für Umwelt und Entwicklung in Rio de Janeiro widmete man sich dem internationalen Klimaschutz und beschloss ein Rahmenübereinkommen zum Klimaschutz. Ziel war eine Stabilisierung der Treibhausgasemissionen auf einem Niveau, das eine vom Menschen verursachte Störung des Klimasystems in tolerierbaren Grenzen hält. Der entscheidende Mangel war das Fehlen der Vereinbarung konkreter Ziele. Die Ausgestaltung dieses allgemein gehaltenen Rahmenabkommens fand 1997 bei einer Klimakonferenz im japanischen Kyoto statt. Die Verabschiedung des Kyoto - Protokolls, mit Details über Ziele und Realisierungszeiträume von Klimaschutzmaßnahmen ist ein Meilenstein in der Internationen Klimapolitik. Es schreibt bis 2012 eine Reduktion der Treibhausgase von min. 5 [%] unter das Niveau von 1990 in den Industrieländern vor.“ (Pernkopf, 2002, S. 32)

Das österreichische Kyoto - Ziel beträgt eine Senkung der 6 wichtigsten Treibhausgase um 13 [%], Die Abbildung 1 zeigt, dass Österreich jedoch anstatt einer Senkung der CO2-Emissionen eine Erhöhung um knapp 4 [%] verursacht hat (vgl. Prevedel, 2004, S. 4):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: CO2 – Äquivalent - Emissionen in Österreich 1990 - 2000 (http://homepage.univie.ac.at, letzter Zugriff am 24.11.2008)

Österreich war daher gezwungen, weitere Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasen zu ergreifen. Die wichtigsten Maßnahmen waren und sind:

- Ordnungspolitische Maßnahmen (z.B. Verbote, Bestimmungen)
- Öffentliche Förderungen und Innovationen
- Ökonomische Maßnahmen (Steuern, Emissionshandel)
- Informationskampagnen und flexible Projektmechanismen in den Bereichen Raumwärme, Elektrizitäts- und Wärmeerzeugung, Abfallwirtschaft, Verkehr und Industrie sowie Land- und Forstwirtschaft

Der Verkehr ist für 32 [%] der Emissionen verantwortlich, wodurch Rückgänge in den anderen Bereichen alleine nicht ausreichend wären (vgl. Prevedel, 2004, S. 8 ff.).

Die Verwendung von Biotreibstoffen stellt besonders im Verkehr und für die Industrie ein mögliches Reduzierungspotential zur Erreichung der Kyoto - Ziele dar. Angesichts des immensen Dieselverbrauches in Österreich, welcher 0,75 [%] des Weltverbrauches darstellt, ist zu erkennen, dass die Verbesserung der Technologien oder die Substitution durch Biokraftstoffe nicht alleine das Problem lösen können. Vielmehr ist eine drastische Reduzierung des täglichen Energieverbrauches anzustreben.

Bei der Verwendung von Diesel in Motoren wird CO2 ausgestoßen und die Umwelt damit belastet. Bei Biodiesel wird die emittierte CO2 – Menge zuvor jedoch während des Rohstoffanbaues aus der Atmosphäre abgezogen. Beim Produktions- und Verwendungszyklus von Biodiesel können die Gesamtemissionen daher um

20 – 80 [%] (je nach Verwendungsgrad der Nebenprodukte) verringert werden.

Ein Schritt zur Reduzierung der CO2 – Emissionen wäre daher z.B. die Umstellung auf Biodieseltreibstoff auch in der Baumaschinenbranche, damit bei der Verbrennung des Kraftstoffs keine weiteren „fossilen“ Treibhausgase freigesetzt werden, wie es bei der Verbrennung von herkömmlichem Diesel der Fall ist. Die Grundlagen der Erdbewegung, die den Einsatz von Baumaschinen erfordert, werden im folgenden Kapitel erläutert.

3.2 Grundlagen der Erdbewegung

Um die in dieser Arbeit enthaltenen Einsatzempfehlungen zum Thema Biodiesel bei Baumaschinen besser verstehen zu können, werden nachfolgend die Grundlagen der Erdbewegung erläutert.

Bei der Erdbewegung unterscheidet man grundsätzlich 4 Hauptaufgaben, welche von unterschiedlichsten Baumaschinentypen durchgeführt werden können:

- Lösen
- Laden
- Transportieren
- Einbauen

Zu den bekanntesten Erdbewegungsgeräten zählen Hydraulikbagger, Radlader, Muldenkipper, Vibrationswalzen und Bulldozer. Die Erdbewegungsindustrie hat aber auch viele weitere Geräte hervorgebracht, die für Teilschritte der Hauptaufgaben spezialisiert wurden. Um dem Leser die Einsatzgebiete von Baumaschinen näher zu bringen, werden im folgenden Teil die grundlegenden Arbeitsschritte erläutert und die geläufigsten Erdbewegungsgeräte analysiert.

3.2.1 Lösen des Materials

Darunter versteht man das Entfernen von Material aus einer bestimmten Einbaulage. Dabei kann es sich um Erde in einem Erdhaufen handeln sowie auch um Gestein in einer Felswand. Wenn das Material in einem Felsen verankert ist, dann wird so viel wie möglich davon durch Sprengen gelöst. „Die vorherrschende Lösetechnik im Steinbruch und im Tagebau auf Festgestein ist das Bohren und Sprengen.“ (Eymer 1995, S. 26)

Besteht keine Sprengmöglichkeit, dann müssen Radlader, Bagger sowie Schubraupen das Material aus dem Felsen lösen. Bei Radladern spricht man dabei vom Laden bzw. Lösen aus der Wand, beim Bagger vom Graben und bei Schubraupen vom Reißen.

3.2.1.1 Lösen durch Bagger

„Das Eindringen des Löffels in das Material wird durch die Losbrechkraft des Löffels und der Reißkraft des Löffelstiels erreicht.“ (Eymer 1995, S. 60). Durch die Kinematik und Bewegungsfreiheit von Ausleger, Stiel und Löffel kann der Hydraulikbagger in die Tiefe graben. Der Oberwagen ist nicht drehbegrenzt. Das Schaufelvolumen ist im Vergleich zur Maschinengröße und dem Einsatzgewicht jedoch sehr gering.

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Bauformen von Baggern:

- Kettenbagger: Diese Maschinen werden von zwei unabhängigen Kettenlaufwerken bewegt. Der große Vorteil von Kettengeräten ist jener, dass die Fahrbahn der Maschine immer mitgeführt wird. Dies erklärt sich dadurch, dass der kritische Teil des Kraftschlusses zwischen der Kette und dem Antriebszahnrad des Laufwerks stattfindet. Der Kraftschluss zwischen dem Boden und den Ketten ergibt sich durch das Eindringen der gezackten Kettenplatten in den Untergrund. Daher wird ein Durchrutschen der Ketten weitestgehend verhindert. Aufgrund der Bauform des Laufwerks erreichen Kettenbagger jedoch nur geringe Fahrgeschwindigkeiten bis etwa 10 [km / h]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Kettenbagger beim Lösen des Materials (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

- Mobilbagger: Diese Geräte sind mit vier Antriebsrädern ausgestattet und verfügen dadurch über eine größere Mobilität (Fahrgeschwindigkeiten bis zu 40 [km / h]). Diese Maschinen können auch zum Straßenverkehr zugelassen werden, was die Einsatzflexibilität stark erhöht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Mobilbagger beim Lösen des Materials (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

Die Entscheidung, welcher Baggertyp ausgewählt wird, erfolgt meist nach der Abhängigkeit von Geräteüberstellungen und Bodendruckvorgaben.

3.2.1.2 Lösen durch Lader

Wenn das Material in Form eines gut zugänglichen Haufens gelagert wird, dann empfiehlt es sich, Geräte mit besserem Verhältnis von Schaufelfüllmenge zu Einsatzgewicht zu verwenden, wie es bei Ladern möglich ist. Zum Eindringen bzw. Losbrechen des Materials wird eine große Ausbrechkraft, welche durch die Kippzylinder erzeugt wird, benötigt. Man unterscheidet zwei Arten von Lader:

- Radlader: Die Lenkbewegung von Radladern wird durch eine Knicklenkung ausgeführt. Dadurch sind sehr kleine Wenderadien (weniger als 7 [m]) möglich. Die hohen Fahrgeschwindigkeiten (mehr als 40 [km/h]) und der Allradantrieb machen Radlader zu vielseitig einsetzbaren Ladegeräten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Radlader beim Lösen des Materials (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

- Kettenlader: Durch den Einsatz von Kettenlaufwerken sind Kettenlader zwar langsam, aber im Gegensatz zu den bereiften Radladern sind die Laufwerke weniger anfällig für Schäden, die durch eine schlechte Bodenbeschaffenheit verursacht werden. Kettenlader können z.B. für Ladearbeiten eingesetzt werden, bei denen herkömmliche Radlader nicht einsetzbar sind (z.B. Materialaustrag von geschmolzenem Stahl im Hüttenbetrieb)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Betrieb eines Kettenladers (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

3.2.1.3 Lösen durch Schubraupen

„Das mechanische Lösen von Fels, speziell das Reißen mittels schwerer Reißraupen, ist eine im Erdbau und im Gewinnungsbetrieb bedeutende Anwendungstechnik.“ (Eymer 1995, S. 27). Dabei dringt der Reißzahn in den Boden ein, und durch die Vorwärtsbewegung der Schubraupe wird eine Risslinie in das Material gerissen. Anschließend kann es einfacher gewonnen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Seitenansicht einer Schubraupe (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

Beim Reißen ist auf die Anzahl der Reißzähne und den richtigen Reißwinkel zu achten. Das Reißen auf Steigungen sollte nur während der „Bergab-Bewegung“ durchgeführt werden. Dies verringert die Belastung der Maschine und steigert die Produktivität.

3.2.2 Laden des Materials

Das gelöste Material muss im nächsten Schritt auf ein geeignetes Transportgerät geladen werden. Als Ladegeräte kommen entweder Lader oder Bagger zum Einsatz. Die Auswahl des Ladegerätes hängt von der Position des Materials zum Ladegerät, sowie von der Materialbeschaffenheit ab. Wenn das Material nicht erst ausgegraben werden muss (z.B. bei einem losen Schüttguthaufen), dann werden Radlader bzw. Kettenlader eingesetzt. Wenn das Material unterhalb des Ladegerätes positioniert ist, dann werden Bagger eingesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Radlader beim Beladevorgang (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

Aus Gründen der Produktivität ist es vorteilhaft, wenn die Mulde des Transportgerätes nach 3 – 5 Ladespielen des Ladegerätes voll gefüllt ist. Sonst entstehen unwirtschaftliche Wartezeiten für die Fahrer der Transportgeräte. Ein Ladegerät belädt im Normalfall mehrere Transportgeräte, die sich im ständigen Umlauf befinden. Deshalb werden die Ladegeräte auch oft als Schlüsselmaschinen bezeichnet, deren Stillstand Auswirkungen auf die gesamte Produktion haben kann.

3.2.3 Transportieren des Materials

Um das Material auf Baustellen oder in Steinbrüchen zu bewegen, werden neben herkömmlichen LKWs spezielle Muldenkipper verwendet. Man unterscheidet die Geräte nach der Anzahl der Achsen, dem Antriebskonzept und der Lenkung:

- Steinbruchmuldenkipper: Diese zweiachsigen Transportgeräte werden eingesetzt, um große Materialmengen mit Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 70 [km / h] zu bewegen. Angetrieben wird nur die Hinterachse und die Lenkung erfolgt über die Vorderräder. Aufgrund der Robustheit werden diese Maschinen hauptsächlich für harte Steinbrucheinsätze verwendet. Entladen werden diese Gewinnungsgeräte durch das vollständige Anheben der Mulde bei langsamer Vorwärtsfahrt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Beladener Steinbruchmuldenkipper (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

- Knickmuldenkipper: Diese dreiachsigen Transportgeräte zeichnen sich durch eine besonders gute Geländegängigkeit aus, welche durch den Allradantrieb und den geringeren spezifischen Bodendruck ermöglicht wird. Die Knicklenkung verschafft diesen Maschinen Wendekreisradien von weniger als 8 [m]. Eine Eigenart dieser Geräte ist es, dass verschiedene Muldenentladungssysteme zur Auswahl stehen. Für beengte Verhältnisse, z.B. im Untertagebau, können Knickmuldenkipper auch mit einer Muldenausstoßfunktion ausgerüstet werden, bei der die Mulde zum Ausleeren nicht angehoben werden muss

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Knickmuldenkipper im Gelände (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

„Der Materialtransport mit LKW oder SKW kann im kurzen Entfernungsbereich schnell unwirtschaftlich werden, da die Transportgeräte fast nur noch an der Lade- und Entladestelle stehen und kaum Transportarbeit verrichten.“ (Eymer 1995, S. 90). Bei Transportstrecken, die weniger als 100 [m] betragen, kann es daher wirtschaftlich sein, einen Radlader gleichzeitig als Lade- und Transportgerät einzusetzen. Diesen Modus nennt man „Load & Carry“ - Einsatz. Durch die vielen Fahrzeiten ergibt sich ein erhöhter Verschleiß für den Antriebsstrang (z.B. Achsen) des Radladers, aber diese Mehrkosten werden meist durch das Wegfallen eines weiteren Transportgerätes ausgeglichen.

3.2.4 Einbauen des Materials

„Der Massentransport wird abgeschlossen mit dem Absetzen des Materials. Ob dann das Material weiterbearbeitet werden muss, hängt von dem Verwendungszweck bzw. der Bauaufgabe ab.“ (Eymer 1995, S. 122). Dies bedeutet, dass das Ausleeren der Mulde bereits der Einbauvorgang sein kann. Wenn das abgekippte Material jedoch über eine große Fläche verteilt werden muss, dann werden meist Schub- bzw. Planierraupen für den Materialeinbau eingesetzt.

Für besonders festen, homogenen Einbau werden Verdichtungsgeräte, wie Walzenzüge, Motorgrader oder Tandem-Vibrationswalzen verwendet. Die Abbildung 10 zeigt einen Walzenzug mit Gummibereifung, welche sich besonders im Geländeeinsatz bewährt. Der Vorderteil der Maschine trägt die Vibrationswalze, welche das Erdreich verdichtet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Walzenzug beim Einbauen bzw. Verdichten (www.zeppelin.de, letzter Zugriff am 22.10.2008)

3.2.5 Zusammenfassung der Erdbewegungsgrundlagen

Die Tabelle 4 zeigt eine Zusammenfassung der wichtigsten Erdbewegungsaufgaben mit den zugehörigen Maschinen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4: Zusammenfassung der Einsatzgebiete von Erdbewegungsgeräten

Während Muldenkipper großteils nur für den Transport des Materials herangezogen werden, eignen sich z.B. Radlader für das Lösen, das Laden sowie das Transportieren des Materials. Eine Analyse der weiteren, möglichen Einsatzgebiete der gängigen sowie anderer Erdbewegungsgeräte würde den Rahmen der Arbeit übersteigen, denn dieses Kapitel soll nur eine Zusammenfassung der Hauptaufgaben darstellen.

3.2.6 Der Baumaschinenmarkt

Der Baumaschinenmarkt umfasst Bagger, Radlader, Baggerlader, Muldenkipper, Motorgrader, Asphaltgeräte, Schubraupen, Bohrmaschinen, Brechanlagen, Hebebühnen, Teleskoplader, Krane usw. Die 50 größten Hersteller von Baumaschinen erwirtschafteten 2007 gemeinsam einen Umsatz von 141,5 Mrd. US Dollar. Dies bedeutet eine 19,3 [%] Steigerung gegenüber dem letzten Jahr mit 118 Mrd. Umsatz. Die „Top – 10“ - Unternehmen sind in Tabelle 5 dargestellt (vgl. KHL Group. 2008, S.3 ff.):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5: „Top – 10“ - Hersteller in der Baumaschinenbranche (vgl. www.khl.com, letzter Zugriff am 24.10.2008)

Die Hersteller von Baumaschinen stammen zu den größten Teilen aus Nordamerika (39,9 [%]), Europa (33,1 [%]) und Asien (26,3 [%]). Die Abbildung 11 zeigt, dass CATERPILLAR mit Abstand der größte Baumaschinenhersteller ist, gefolgt von Komatsu, Terex, Volvo Construction Machinery und Liebherr (vgl. KHL Group, 2008, S 3 ff.):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Marktanteile der wichtigsten Baumaschinenhersteller (www.khl.com, letzter Zugriff am 24.10.2008)

Bei der Einführung von neuen Technologien in der Branche, ist die Haltung der „Top – 10“ - Unternehmen richtungweisend für die restlichen Hersteller. Baumaschinen werden in der Regel einige Jahrzehnte in unterschiedlichen Ländern eingesetzt. Dadurch wird sich die herkömmliche Antriebstechnologie des Maschinenbestandes, der Dieselmotor, mittelfristig nicht ändern.

Biodiesel ist nach derzeitigem Wissenstand in der Erdbewegungsbranche die einzige erneuerbare und bereits umsetzbare Treibstoffalternative zu fossilem Diesel. Bei der Verwendung von Biodiesel für Baumaschinen ist daher die Meinung bzw. die Erfahrung der „Top - 10“ - Hersteller entscheidend für eine flächendeckende Umstellung auf erneuerbaren Dieseltreibstoff.

3.3 Erforderliche Dieselmotorgrundlagen

Dieselmotoren sind die am häufigsten eingesetzten Energieerzeuger für Baumaschinen weltweit. Sie zeichnen sich durch ihre geringe Größe in Relation zur Nennleistung aus und sind seit mehr als 100 Jahren dauerhaft weiterentwickelt worden. Die Funktionsweise eines Dieselmotors sowie die entstehenden Abgase sollen dem Leser als Grundlage dienen, um die notwendigen Anforderungen sowie Einflussfaktoren bei der Treibstoffauswahl verstehen zu können.

3.3.1 Aufbau und Funktionsweise eines Dieselmotors

Dieselmotoren wandeln thermische Energie in mechanische Energie um. Dies wird durch die Zündung eines Gemisches aus Diesel und Luft unter hohem Druck ermöglicht. Als Folge der Verbrennung wird ein horizontal beweglicher Kolben mit großer Beschleunigungskraft nach unten bewegt. Der Kolben ist über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden. Durch die Bewegung des Kolbens wird die Kurbelwelle in eine Drehbewegung versetzt. Das verfügbare Drehmoment am Motorabtrieb hängt von der Motorauslegung (Hubraum, Einspritzverfahren, mechanische Verluste, usw.) ab.

Dieselmotoren in Baumaschinen sind großteils 4-Takt Motoren. Dies bedeutet, dass der Arbeitsprozess in 4 Takten abläuft (vgl. www.aral.de, letzter Zugriff am 28.11.2008).

- Während des 1. Arbeitstaktes bewegt sich der Kolben abwärts und saugt durch die Einlassventile Luft an
- Im 2. Takt fährt der Kolben wieder nach oben und am Ende des Verdichtungshubs wird Kraftstoff eingespritzt, der danach unter hohem Druck entzündet
- Im 3. Takt wird während des Arbeitshubes der Kolben aufgrund des Verbrennungsdruckes nach unten geschoben, wodurch die Kurbelwelle angetrieben wird
- Im 4. Takt fährt der Kolben wieder nach oben und die verbrannten Gase entweichen durch die Auslassventile

Die Abbildung 12 zeigt das Zusammenspiel von Kolben, Pleuel und Kurbelwelle während der 4 Arbeitstakte (von links nach rechts):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Arbeitstakte eines Dieselmotors (www.aral.de, letzter Zugriff am 28.11.2008)

Bei Automobilen z.B. wird die verfügbare Energie für die Fortbewegung genützt, bei Stromaggregaten zum Antrieb eines Stromgenerators und bei Baumaschinen in den meisten Fällen zur Umwandlung in hydraulische Energie über Hydraulikpumpen.

3.3.2 Abgase im Dieselmotor

Je nach Kraftstoffart (Diesel oder Benzin) entstehen beim Verbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren unterschiedliche Zusammensetzungen von Kohlenwasserstoff (CH), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid (NOx), Kohlendioxid (CO2), Schwefeldioxid (SO2), Partikel, Wasserdampf (H2O) sowie Sauerstoff (O2).

Diese Moleküle werden während der Verbrennung des Kraftstoff- / Luftgemisches gebildet. Die angesaugte Umgebungsluft beinhaltet davor 21 [%] Sauerstoff (O2), 78 [%] Stickstoff (N2) und 1 [%] Edelgase (Argon, Helium, usw.). Die Kohlenstoffbestandteile sind im fossilen Kraftstoff enthalten. Die einzelnen Abgase wirken sich folgendermaßen aus:

- Kohlenwasserstoffe (CH): „Sind organische Verbindungen. Die Komponente CH ist ein Gemisch aus mehreren hundert Stoffen.“ (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2003, S. 5). Sie entstehen durch eine unvollständige Verbrennung. Kohlenwasserstoffe sind flüchtige Verbindungen, deren Anteil bei ansteigendem Luftüberschuss (Dieselmotor) größer wird
- Kohlenmonoxid (CO): Kohlenmonoxid entsteht ebenfalls durch eine unvollständige Verbrennung, wenn nicht genug Zeit für die vollständige Oxidation des Kohlenstoffes zu CO2 bleibt. Kohlenmonoxid beeinträchtigt als starkes Atemgift den Sauerstofftransport im menschlichen Körper und führt bereits bei niedrigen Vergiftungen zu Auswirkungen auf das zentrale Nervensystem (vgl. www.umad.de, letzter Zugriff am 02.12.2008). Bei geringem Luftüberschuss, speziell beim Dieselmotor, sind die CO - Emissionen aufgrund des ausreichenden Sauerstoffgehaltes gering
- Kohlendioxid (CO2): Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung von fossilen Treibstoffen, sowie auch bei der Atmung des Menschen. Es ist für terrestrische Lebewesen nicht toxisch, wird aber als Beschleuniger des weltweiten Treibhauseffektes betrachtet. Die CO2-Emissionen sind direkt proportional zum Kraftstoffverbrauch; 1 [l] Dieselkraftstoff = 2,63 [kg] Kohlendioxid (vgl. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2003, S. 11) - und daher nur durch eine Verringerung des Treibstoffverbrauchs reduzierbar
- Stickstoffoxid (NOx): Die Emissionen der Stickstoffoxide (NOx), die zum geringen Teil durch Oxidation von Stickstoffverbindungen aus dem Kraftstoff, hauptsächlich aber durch Reaktion von Luft-Stickstoff und Luft-Sauerstoff bei hohen Temperaturen in den Brennkammern des Motors entstehen, steigen mit wachsender Motordrehzahl (vgl. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2003, S. 6). Das Reizgas kann schon bei niedrigen Konzentrationen zur Wirkung kommen. Es greift die Schleimhäute der Atmungsorgane an und begünstigt Atemwegserkrankungen (vgl. www.umad.de, letzter Zugriff am 02.12.2008). Thermisches NOx, welches bei hohen Verbrennungstemperaturen entsteht, kann durch eine Verringerung der Verbrennungstemperatur reduziert werden. Bei der Verbrennung von Biodiesel können generell mehr Stickoxide erzeugt werden, da dessen Sauerstoffanteil höher ist als bei fossilem Diesel. Stickoxide führen bei Kontakt mit dem Motoröl durch den Sauerstoffanteil zu einer rascheren Oxidation und damit zu ungewünschter Ölalterung (FORTE, 2006, S. 53 ff.)
- Rußpartikel: Auch Dieselpartikel genannt, entstehen während des Verbrennungsprozesses in Dieselmotoren. Die Rußbildung bei Dieselmotoren ist folgendermaßen zu erklären: Da der Kraftstoff bei hohem Druck flüssig eingespritzt wird und im Brennraum trotz Luftüberschusses in Tröpfchenform vorliegt, gibt es während der ganzen Verbrennung, die von der Oberfläche der Tröpfchen zu ihrem Kern erfolgt, im Innern stets eine „fette“ Gemischzone mit Sauerstoffmangel, die zum Schluss zu einem Partikel führt, das aus Kohlenstoff, einem Rest unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Asche aus Kraftstoffadditiven besteht. Die Partikel aus Dieselmotoren haben überwiegend einen aerodynamischen Durchmesser von 0,1-0,2 [µm] und sind durchwegs lungengängig (vgl. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2003, S. 6)

3.3.3 Treibstoffanforderungen

Diesel entsteht bei der Fraktionierung im Rohölprozess (21 [%] der Gesamtmenge) und ist damit ein fossiler Energieträger. Da die meisten Baumaschinen weltweit von Dieselmotoren angetrieben werden, spielt Dieseltreibstoff in dieser Branche eine wichtige Rolle. Die Hersteller der Baumaschinen bzw. der Baumaschinenmotoren schreiben den Baumaschinenbesitzern zwar nicht vor, welcher Diesel verwendet werden muss, es werden aber Treibstoffempfehlungen abgegeben, um Garantieleistungen auf Motorkomponenten ermöglichen zu können.

Diese Empfehlungen sind an allgemein gültige Treibstoffnormen angelehnt. In Europa muss Dieseltreibstoff der EN 590 entsprechen. Diese Richtlinien dienen dazu, Mindeststandards für z.B. das Zündverhalten, den Schwefelgehalt oder die Transportsicherheit von Diesel zu gewährleisten.

Da die Motoren auf die Verwendung von genormtem Dieselkraftstoff hin optimiert wurden, sollte auch nur Diesel verwendet werden, der den Vorgaben des Motoren- bzw. Baumaschinenherstellers entspricht.

3.4 Biodieselgrundlagen

Als Biodiesel wird Treibstoff bezeichnet, der aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt wird und als Substitut für fossilen Dieselkraftstoff eingesetzt werden kann. Die chemische Bezeichnung lautet Fettsäuremethylester (FAME). FAME bestehen aus unterschiedlich langen Fettsäureketten (z.B. C18:0). Deren Zusammensetzung hat Einfluss auf die Eigenschaften des Treibstoffes.

„Die Verwendung von Pflanzenölen als Kraftstoffe für Dieselmotoren ist keine Erfindung unserer Zeit. Während die ersten Dieselmotoren noch Universalmotoren waren, die von Mineralöldiesel bis zu Pflanzenölen mit allen Kraftstoffen betrieben werden konnten, wurden moderne Dieselmotoren für die Verbrennung von Mineralöldiesel optimiert. Eine kurzfristig realisierbare Strategie zur Einführung eines Kraftstoffes auf Pflanzenölbasis stellte die chemische Modifikation des Pflanzenöls in Hinblick auf die Erfordernisse der zurzeit im Einsatz befindlichen Dieselmotoren dar. In Europa wird der Weg einer Transformation von Pflanzenölen zu Pflanzenölmethylestern beschritten.“ (Plank. 1993, S. 1)

Neben dem Einsatz von FAME werden auch unbehandelte Pflanzenöle als Treibstoff eingesetzt. Diese fallen nicht unter die Kategorie Biodiesel. Pflanzenöle bestehen aus Triglyceriden, d. h. Fettsäuren, die jeweils zu dritt an Glycerin gebunden sind. Dieser Aufbau hat zur Folge, dass Pflanzenöle und –fette bei normalen Temperaturen zähflüssig bis fest sind, also eine viel höhere Viskosität besitzen als die Kraftstoffe, für die ein Dieselmotor ausgelegt ist. Pflanzenöle verhalten sich beim Einspritzvorgang anders, und auch die Verbrennung läuft weniger sauber ab. Diese Nachteile lassen sich durch motorische Eingriffe, wie die Vorwärmung des Rapsöls, ein wenig kompensieren, jedoch ist eine Umwandlung in Biodiesel notwendig, um die Anforderungen der Motorenhersteller zu erfüllen (vgl. www.biodiesel.de, letzter Zugriff am 30.03.2008).

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