FALLSTUDIE Bergbau

mtu und Codelco Norte testen Technologien zur Erfüllung von EPA Tier 4 bei Bergbaumotoren

Veröffentlicht am 28 November 2016

Ab 2015 müssen Dieselmotoren im Bergbausektor von Nordamerika strenge Emissionsgrenzwerte erfüllen. Zur Erfüllung der künftigen Emissionsvorschriften EPA Tier 4 wurden von mtu bereits 2009 Außenerprobungen an einem Bergbaumotor der Baureihe 4000 unter tatsächlichen Einsatzbedingungen vorgenommen. Als Antrieb für einen der größten Mining-Trucks der Welt war der Motor über einen Zeitraum von über sechs Monaten in den chilenischen Kupferminen von Chuquicamata rund um die Uhr im Einsatz. Während dieser Zeit testete mtu den Motor unter den härtesten Bedingungen.

Die Technologie, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistungsdichte der mtu-Motoren sowie deren Leistungs- niveau haben in hohem Maße zur Produktivität und Wirtschaftlichkeit unserer Fahrzeugflotte beigetragen.

Wilson Brevis - Maintenance Manager, Codelco Norte
Der Immissionsteil enthält Vorschriften zum Schutz der Nachbarn vor unvertretbar hohen Schadstoffbelastungen, z. B. aus Industrieanlagen. Dabei wird die Anlagenzulassung an europäisches Recht angepasst. So werden im EU-Recht höchstzulässige Konzentrationen für einige besonders bedeutsame Schadstoffe, z. B. Staub und Benzol, in der Atemluft festgelegt, die auch für die Genehmigung von Anlagen beachtlich sind. In der TA Luft wird die Art und Weise der Berücksichtigung dieser Emissionswerte bestimmt.
Die Kupferminen von Chuquicamata Iiegen auf einer Höhe von 3.200 Metern über dem Meeresspiegel und mitten in der Atacama-Wüste. Dementsprechend dünn, staubig und heiß ist die Luft am Tag und bitterkalt in der Nacht. Aus der fast einen Kilometer tiefen, 4,5 Kilometer langen und 3,5 Kilome- ter breiten Grube windet sich eine Piste am Rand der Grube entlang nach oben. Voll beladen benötigen die Muldenkipper bis zu 45 Minuten, um aus der Mine herauszufahren. Die gigantischen Trucks machen diese Fahrten sieben Tage in der Woche und 24 Stunden am Tag und transportieren dabei bis zu 400 Tonnen Kupfererz pro Ladung. Dies stellt höchste Anforderungen an die Maschinen und die Menschen, die sie bedienen. Das ist auch der Grund, weshalb mtu sich mit dem Betreiber der Mine, Co- delco Norte, in Verbindung gesetzt hat, als es darum ging, einen Außenerprobungsträger zu installieren, um Technologien zur Verringerung von Abgasemissionen bei Bergbaumotoren zu testen: „Wenn sich die Technologien an den Motoren hier als erfolgreich erweisen, werden sie es praktisch überall sonst auf der Welt auch sein“, erläutert Norbert Eisenblätter, Senior Manager Global Application Engineering Surface Mining bei MTU Friedrichshafen.

Höhere Verbrennungsdrücke für EPA Tier 4


Die Entwicklung von Dieselmotoren wird von zunehmend strengeren Abgasvorschriften bestimmt. Ab 2015 müssen die in Nordamerika im Bergbau eingesetzten Motoren die strengen Abgasvorschriften der Environmental Protection Agency (EPA — US-Umweltschutzbehörde) der Stufe Tier 4 erfüllen. Künftigen Motorisierungen wird nur ein Bruchteil der heutigen Emissionswerte zugebilligt. Die Realisierung entsprechender Technologien im Bergbau ist eine besondere Herausforderung, da die Komponenten dort extremen Belastungen ausgesetzt sind. „Um trotz massiver Reduktion der Emissionen den Kraftstoffverbrauch der bisherigen Motoren zu halten, mussten wir den Zylinderdruck deutlich anheben“, erläutert Dr. Ingo Wintruff, Projektleiter für die Entwicklung der neuen Generation der Baureihe 4000 und Leiter Anwendungstechnik Motoren&Antriebe bei der MTU Friedrichshafen GmbH. „Die hohen Zylinderdrücke stellen eine ernste Herausforderung für Triebwerksblock, Kolben und Zylinderköpfe dar, insbesondere unter den harten Bedingungen des Bergbaus. Um das Verhalten der Motoren besser beurteilen zu können, haben wir daher entschieden, bereits im Frühstadium Außenerprobungen unter tatsächlichen Einsatzbedingungen durchzuführen.“

Außenerprobung in weltgrößter Kupfermine


Als Testgelände wurde die größte Kupfermine der Welt ausgewählt — Chuquicamata in Nord-Chile. mtu ist mit dem Betreiber der Mine seit vielen Jahren im Geschäft und beliefert Codelco Norte mit Motoren und Antriebssystemen. So werden dort seit 2003 mtu-Motoren eingesetzt, die von Anfang an vom örtlichen Vertriebspartner gewartet werden. Heute sorgen Modelle der Baureihe 4000 mit 16 und 20 Zylindern für den Antrieb eines großen Teils der Bergbaufahrzeuge in Chuquicamata und im nahegelegenen Bergwerk Radomiro Tomic. Dazu äußert sich Wilson Brevis, Manager Maintenance bei Codelco Norte, wie folgt: „Seit über einem Jahrzehnt sind in unseren Bergbaufahrzeugen mtu-Motoren im Einsatz. Die Technologie, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistungsdichte der Motoren sowie deren Leistungsniveau haben in hohem Maße zur Produktivität und Wirtschaftlichkeit unserer Fahrzeugflotte beigetragen.“
Die robusten, kraftstoffsparenden Motoren der Baureihe 4000 bewähren sich seit Jahren im täglichen Einsatz. Als mtu auf der Suche nach einem Ort war, an dem die Technologien zur Emissionssenkung unter tatsächlichen Einsatzbedingungen getestet werden konnten, fiel die Wahl schnell auf Chuquicamata. „Durch die schiere Größe der Mine, ihr einzigartiges Lastprofil und die vorherrschenden Umgebungsbedingungen bietet Chuquicamata die Möglichkeit, die Motoren und die benutzten Technologien bis an die Grenze zu testen“, erläutert Dr. Wintruff.

3.000 Stunden Einsatz unter Feldbedingungen


Im Jahr 2009 wurde der Außenerprobungsträger in einen der größten Mining-Trucks der Welt, einen Liebherr T 282 B, installiert. Die Tests wurden ohne Probleme beendet. „Es liegt in unserem eigenen Interesse, unmittelbare Erfahrungen mit dem Verhalten künftiger Technologien unter tatsächlichen Einsatzbedingungen zu sammeln“, bemerkt Brevis. „Wir sehen die Versuche und die Möglichkeit, an technologischen Entwicklungen teilzuhaben, als eine Chance, in die Zukunft der Mine zu investieren.“ Während der Testphase wurde der Motor umfassend geprüft und nach über 3.000 Stunden Einsatz zurück nach Friedrichshafen zur Befundung transportiert. Dort dokumentierten und analysierten mtu-Ingenieure alle gesammelten Daten. Die gewonnenen Erkenntnisse waren nicht nur für Motoren in Bergbaufahrzeugen relevant, sondern auch für Fahrzeuge mit ähnlichem Anforderungsprofil. Ab Mitte 2011 zum Beispiel wird mtu die Baureihe 4000 für die Abgasstufe Tier 4i auf den Markt bringen, die in Pumpenantrieben in der Ölund Gasindustrie eingesetzt werden. „Wenn Tier 4 für den Bergbau schließlich Vorschrift ist, wird die gleiche Motortechnologie bereits seit drei Jahren im Serieneinsatz erprobt sein“, so Eisenblätter. Damit wird sich dann der Know-how-Kreis schließen, denn die Entwicklung der Baureihe 4000 profitiert insgesamt von den Tests in Chuquicamata.

Bewährte Technologien für Bergbaumotoren


Die kontinuierliche Weiterentwicklung ist seit langem der Schlüssel zum Erfolg der Motoren der Baureihe 4000. Mit mehr als 26.000 verkauften Einheiten seit ihrer Markteinführung 1996 ist diese Motorbaureihe eines der erfolgreichsten mtu-Produkte. Zur Erfüllung der ständig wachsenden Anforderungen aufgrund von Abgasvorschriften und Kundenwünschen wurde die Baureihe 4000 ständig weiterentwickelt. Die aktuellen Serienmotoren erfüllen die Emissionsstufe EPA Tier 2. Dazu werden Eigenentwicklungen wie zum Beispiel das eigene Common-Rail-Kraftstoffsystem, das elektronische Motormanagement und mtu-Turbolader eingesetzt.

EPA Tier 4 final


Zur Erfüllung der zukünftigen Emissionsstufen ist der Einsatz zusätzlicher innermotorischer Technologien unvermeidbar. In der künftigen Generation von Bergbaumotoren gemäß EPA Tier 4 final werden eine gekühlte Abgasrückführung (AGR), eine zweistufige Turboaufladung, ein weiterentwickeltes Common-Rail-Einspritzsystem mit erhöhtem Einspritzdruck und ein neues Brennverfahren mit angepassten Ventilsteuerzeiten (Miller-Verfahren) eingesetzt. Ziel ist es, den Einsatz von Abgasnachbehandlungskomponenten zu vermeiden. Der Schlüssel zum Erfolg künftiger Motorgenerationen wird in der perfekten Integration all dieser Technologien bestehen. „Außenerprobungen wie die von Chuquicamata sind für die Optimierung von Emissionsstrategien weiterhin von ausschlaggebender Bedeutung“, fasst Brevis zusammen. „Wir freuen uns über die Zusammenarbeit mit einem so angesehenen Motorenhersteller und sind stolz auf unseren Beitrag zur Entwicklung von Technologien der nächsten Generation, die die Bergwerksindustrie voranbringen werden.“