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Wissenschaft
Universität Rostock: Größter Forschungsmotor einer europäischen Fakultät steht in Rostock
Freitag, der 19.September 2014
Universität Rostock: Größter Forschungsmotor einer europäischen Fakultät steht in Rostock

Rostock: An der Universität Rostock werden Brennverfahren für zukünftige Dual-Fuel-Motoren wissenschaftlich untersucht und weiterentwickelt. Dual-Fuel-Motoren können sowohl mit Diesel oder Schweröl als auch mit Gas betrieben werden. Der neue 1-Zylinder-Forschungsmotor basiert auf dem Know-how der Motorenbauer von Caterpillar, die bereits Erfahrungen mit Gas- und Dual-Fuel-Motoren für Schiffs- und Landanwendungen haben. Am Forschungsmotor sollen Grundlagen für die Erfüllung zukünftiger Emissions- und Verbrauchsziele geschaffen werden.

Auf dem Prüfstand des Lehrstuhls für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren der Rostocker Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik steht frisch aufgebaut der größte 1-Zylinder Forschungsmotor einer europäischen Universität. Er hat ein stolzes Gewicht von 43 Tonnen und eine Höhe von gut vier Metern. „Der Motor verspricht öffentliche Forschung auf höchstem Niveau, die in diesem Umfang bislang nicht möglich war“, sagt Professor Horst Harndorf. Unter seiner Leitung hat sich der Lehrstuhl zu einem der renommiertesten Forschungsstellen für Großmotoren in Deutschland entwickelt.

Am 18. und 19. September treffen sich in Rostock 160 Experten aus dem In-und Ausland zur 3. Rostocker Großmotorentagung, die der Lehrstuhl 2010 ins Leben gerufen hat. Das diesjährige Thema: „Zukunft der Großmotoren im Spannungsfeld von Emissionen, Kraftstoffen und Kosten“. Noch herrscht oft „dicke Luft“ auf den Schifffahrtsrouten der Weltmeere. Gemeint sind die Stickoxid- und Schwefeloxid-Emissionen, die durch den Schiffsverkehr entstehen.

Das aber soll anders werden. Die Internationale Seeschifffahrts-Organisation (IMO) hat sich der Umweltproblematik angenommen. Bereits für die Jahre 2015 und 2016 sind deutlich verringerte Grenzwerte im Bereich der Emissionen von Schiffsmotoren verfügt worden. Ab 2015 ist schwefelarmer Kraftstoff vorgeschrieben, 2016 soll zusätzlich die Stickoxid-Emission drastisch reduziert werden. Das gilt vorerst aber nur für Emissions-Kontrollgebiete, zu denen aktuell nur die Küstengewässer um Nordamerika zählen. Hingegen gilt für die Ostsee, Nordsee und den Ärmelkanal insbesondere ab 2015 ein stark reduzierter Schwefeloxidausstoß, der einem Kraftstoffschwefelanteil von 0,1 Prozent entspricht.

An der Universität Rostock werden jetzt Brennverfahren für zukünftige Dual-Fuel-Motoren wissenschaftlich untersucht und weiterentwickelt. Dual-Fuel-Motoren können sowohl mit Diesel oder Schweröl als auch mit Gas betrieben werden. Der neue 1-Zylinder-Forschungsmotor basiert auf dem Know-how der Motorenbauer von Caterpillar, die bereits Erfahrungen mit Gas- und Dual-Fuel-Motoren für Schiffs- und Landanwendungen haben. Am Forschungsmotor sollen Grundlagen für die Erfüllung zukünftiger Emissions- und Verbrauchsziele geschaffen werden.

Foto: Doktorand Björn Henke (l.) hat den Aufbau des Motors im Team koordiniert und verständigt sich über letzte Details mit Prof. Horst Harndorf.

Im Gasbetrieb wäre ein Dual Fuel Motor für die ab 2016 geltenden Emissionsanforderungen gewappnet, sagt Dr. Christian Fink, Teamleiter am Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren. Dennoch bestehen vielen Fragestellungen in Bezug auf eine weitere Wirkungsgrad- und Leistungssteigerung sowie eine deutliche Emissionssenkung, die eine tiefgehende wissenschaftliche Analyse erfordern.

Das Team habe bereits Computermodelle für den neuen Forschungsmotor entwickelt, die einen detaillierteren Einblick in die ablaufenden Prozesse ermöglichen und damit Optimierungspotenziale im Brennverfahren aufzeigen, verdeutlicht Fink. Dabei werden mathematische und numerische Simulationen des Verbrennungsablaufes in der virtuellen Realität abgebildet.

„Solche Berechnungen gibt es bislang für Dual-Fuel-Motoren nur in Ansätzen.“, sagt Prof. Hassel vom Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der Universität Rostock. Unter seiner Leitung erfolgt in Begleitung zu den experimentellen Untersuchungen die wissenschaftlich-theoretische Betrachtung und Modellierung der Strömungs- und Verbrennungsvorgänge im Dual-Fuel Motor. „Die neuen Modelle machen es möglich, die Schadstoffentstehungsprozesse im Brennraum zeitlich und räumlich aufzulösen.“ Daraus ergibt sich die Möglichkeit, potenzielle Maßnahmen schon im Simulationsmodell einzugrenzen und eine vorläufige Bewertung vorzunehmen bevor diese in aufwendigen Versuchsreihen am neuen Forschungsmotor umgesetzt werden. Dennoch sind auch den Simulationen Grenzen gesetzt. Obwohl für die Berechnung des Verbrennungsprozesses Rechencluster mit mehreren tausend Prozessoren zur Anwendung kommen, kann die Berechnung eines Arbeitsprozesses im Motor mehr als eine Woche dauern.

Schon in zwei Jahren müssen Schiffsmotoren in vielen Neubauten auf schadstoffärmere Verfahren ausgerichtet werden, um die Schwefel- und Stickoxidemissionen deutlich zu reduzieren. Gefordert ist, heute bereits die Abgasstandards der Zukunft zu antizipieren. Prof. Harndorf ist sich sicher: „Der öffentliche und politische Druck im Hinblick auf eine weitere drastische Emissionssenkung von Schiffsantrieben wird kontinuierlich steigen.“ Nicht zuletzt deshalb streben der Motorenbauer Caterpillar, der in Rostock eine seiner Produktionsstätten hat, und der aus der Universität Rostock ausgegründete Forschungs- und Entwicklungsdienstleister FVTR GmbH eine strategische Kooperation über das laufende Projekt hinaus an.

Das innovative Verbundvorhaben wird im Rahmen eines BMWi-Förderprogramms vom Bund mit knapp vier Millionen Euro gefördert. Etwa 100 Studenten, vier Doktoranden und zwei Mechaniker sind an der Uni Rostock in das Forschungsprojekt eingebunden. Der maritime Koordinator der Bundesregierung, Staatssekretär Uwe Beckmeyer, kommt zur Motorentagung nach Rostock und wird die Erwartungen der Bundesregierung darlegen.

„Eine Herkulesaufgabe, aber lösbar“, sagt Professor Harndorf Seine experimentellen Forschungen werden von Professor Egon Hassel vom Lehrstuhl für Technische Thermodynamik begleitet. „Das Öko-Motor-Projekt kommt nicht von ungefähr zu uns. Wir haben uns durch unsere erfolgreiche maritime Forschung empfohlen“, sagt Prof. Harndorf. Die Uni Rostock forscht bereits seit 1955 an Verbrennungsmotoren, hat sich seit 1962 auch mit Sonderkraftstoffen wie Schweröl beschäftigt.

Uni-Rektor Prof. Wolfgang Schareck ist stolz auf die Wissenschaftler im Maschinenbau. „Das ist praxisbezogene, hartnäckige Forschung auf höchstem Niveau“, bringt der Rektor seine Anerkennung zum Ausdruck. Gerade im Gesundheitsland MV mit der Ostsee vor der Tür habe eine saubere Luft oberste Priorität.

Harndorf ist überzeugt, dass die aktuelle Forschung am Ein-Zylinder-Motor neue ökologisch vertretbare Brennverfahren bringen wird. Aus seiner Sicht ist Klimaschutz zum globalen Marktfaktor geworden. Deshalb seien für einen umweltfreundlichen Motor unter anderem „völlig neue Verbrennungskonzepte mit Erdgas nötig“. Über 90 Prozent des weltweiten Warenstroms werden über den Seeweg abgewickelt. (Pressemeldung vom 19.09.2014) 

Quelle: Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Wolfgang Thiel | Foto: Universität Rostock, © Thomas Rahr
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