Forschungsvorhaben zeigt erste vielversprechende Erfolge für Alterungstests von Abgaskatalysatoren im Betrieb mit Biokraftstoffen

Im Rahmen des von der Forschungsvereinigung für Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) und dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) geförderten Forschungsvorhabens „Alterung von Dieselabgaskatalysatoren im Betrieb mit Biokraftstoffen“ konnte das Institut für Technische Chemie (ITC) der Universität Leipzig in Kooperation mit dem Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) erste Erfolge auf dem Weg zur Entwicklung eines Schnelltests für die Alterung von Abgasnach-behandlungskatalysatoren erzielen.

Ziel des Forschungsvorhabens war es, das Verständnis der Desaktivierung von Dieselabgas-nachbehandlungskatalysatoren im Betrieb mit Biokraftstoffen zu vertiefen und einen Schnelltest zu entwickeln, der die Beurteilung respektive die quantitative Abschätzung der Langzeitstabilität von Dieselabgasoxidationskatalysatoren (DOC) und Katalysatoren zur Selektiven Katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR) zur Dieselabgasnachbehandlung erlaubt. Langfristig soll es möglich sein, die aktuell notwendigen, mehrere hunderttausende Kilometer umfassenden und äußerst zeitaufwändigen Fahrzeugdauerläufe zur Bestimmung der Emissionsstabilität erheblich zu reduzieren. Zeitgleich kann der Einfluss neuer Kraftstoffe auf die Katalysatorvergiftung schneller ermittelt und damit ein wichtiger Beitrag für die Nutzung von Biokraftstoffen im Verkehrssektor geleistet werden.

Im ersten Themenschwerpunkt des Forschungsvorhabens wurden am ITC eine Vielzahl an Fahrzeugkatalysatoren für die Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren hinsichtlich ihrer Material- und katalytischen Eigenschaften untersucht. Da die Abnahme der katalytischen Aktivität unter anderem vom Gehalt spezifischer Elemente wie Alkali- und Erdalkalimetalle, Phosphor und Schwefel im Kraftstoff beeinflusst wird, galt der zweite Themenschwerpunkt den Biokraftstoffqualitäten. Die am DBFZ stichprobenartig durchführten Laboruntersuchungen sowie die ausgewerteten Marktstudien belegten die gleichbleibend standardgemäßen Biokraftstoffqualitäten auf dem deutschen Markt. Die Gehalte an katalysatorschädigenden Elementen wie Alkali- und Erdalkalimetalle, Phosphor und Schwefel unterschritten die vorgegebenen Grenzwerte in den letzten Jahren deutlich. 

Für die im dritten Themenschwerpunkt durchgeführten Untersuchungen zur motorischen Alterung der DOC- und SCR-Katalysatoren am Motorprüfstand des DBFZ wurden dem verwendeten handelsüblichen Biodiesel die oben genannten katalysatorschädigenden Elemente mit dem Ziel hinzugegeben, eine Wirkung dieser Elemente auf das Abgasnachbehandlungssystem in vergleichsweise kurzer Prüfstandzeit nachweisen zu können. Um die Alterung mit Motorabgas stark zu beschleunigen, wurden für die Elementkonzentrationen Vielfache der gültigen Grenzwerte gewählt.

Durch Charakterisierung der real gealterten Katalysatoren sowie Proben, die am Motorprüfstand am DBFZ mit dotiertem Biodiesel erzeugt wurden, konnten am ITC verschiedene Materialeigenschaften mit katalytischen Eigenschaften korreliert werden. Auf diese Weise war es möglich, in einem umfangreichen vierten Themenschwerpunkt frische Katalysatoren im Labor des ITC gezielt zu vergiften und mit einem Mehrkomponenten-Ansatz die Materialeigenschaften oder die katalytischen Eigenschaften der Realproben nachzustellen. Dazu wurden neben der Flüssigphasen- und Staubvergiftung auch Experimente zur hydrothermalen Alterung durchgeführt. Mit dem Schnelltest im Labor konnte eine Alterung innerhalb von Stunden erzielt werden. Die auf unterschiedliche Weise am Motorprüfstand und im Labor gealterten Katalysatoren liefern wertvolle Erkenntnisse und eine gute Datenbasis für weiterführende Untersuchungen, die in einem beantragten Folgevorhaben vorgesehen sind.