Die Transient-Plasma-Technologie setzt neue Impulse für die Emissionsreduzierung

Von Becky Schultz, 16. Januar 2023

Für diejenigen, die vor den 2000er Jahren geboren wurden, war der erste bekannte Kontakt zur Plasmatechnologie möglicherweise der einst gefeierte Plasma-Flachbildfernseher. Doch Plasma ist weitaus verbreiteter, als Sie vielleicht denken (z. B. ein Funke von Ihrem Herd), und die Anwendungen sind weitaus vielfältiger und langlebiger als die frühen visuellen „Wunderwerke“, die etwas mehr als ein Jahrzehnt nach der Einführung verschwanden .

Tatsächlich hat die Plasmatechnologie ein erhebliches langfristiges Potenzial im Kampf um die Dekarbonisierung von Verbrennungsmotoren (ICE) gezeigt und könnte den Bemühungen zur Reduzierung ihres CO2-Fußabdrucks bald neues Leben einhauchen. Das in Torrance, Kalifornien, ansässige Technologieentwicklungsunternehmen Transient Plasma Systems (TPS) bietet zwei kommerziell verfügbare Lösungen an – ein Nachbehandlungs- und ein Zündsystem –, die eine proprietäre Nanosekunden-Pulsleistung nutzen, die ihrer Aussage nach „bisher unzugängliche Fähigkeiten des Plasmas freisetzen“ kann.

TPS wurde 2009 gegründet und ist ein Spin-off der University of Southern California, die seit Jahrzehnten Forschung zu „transientem Plasma“ betreibt. Im Gegensatz zu herkömmlichem Plasma, das normalerweise durch überhitzte Materie erzeugt wird, wird transientes Niedertemperaturplasma durch ultrakurze elektrische Hochspannungsimpulse (Nanosekunden) erzeugt, die den Ionisierungsprozess so weit steuern, dass eine Überhitzung verhindert wird. In diesem „Übergangszustand“ ermöglicht das Plasma überlegene Vorteile für Anwendungen wie Verbrennung und Emissionskontrolle.

TPS wurde mit dem ausdrücklichen Ziel gegründet, diese transiente Plasmatechnologie in marktfähige Produkte und Systeme umzusetzen. Fortschritte bei der Halbleiter-Hochspannungsschaltung eröffneten noch mehr Möglichkeiten und ermöglichten es dem Unternehmen, Hochleistungslösungen in einem kompakteren Paket zu entwickeln.

„Plötzlich wurde diese Technologie, an der schon so lange geforscht wurde, dass sie potenziell wertvoll für die Reduzierung von Emissionen ist, realisierbar“, sagte Dan Singleton, Mitbegründer und CEO von TPS.

Eine Zuführung von Risikoinvestitionen im Jahr 2019 ermöglichte es TPS, den letzten Anstoß für die Entwicklung seiner Produkte zu geben. Da beide Lösungen nachweislich die Emissionen und die Effizienz auf vielen Motorplattformen verbessern, bindet TPS nun „Partner für die Markteinführung“.

Das TPS-Nachbehandlungssystem kombiniert ein Plasma-Leistungsmodul, einen Reaktor und eine Elektrode, die Partikel und NOx-Emissionen im Wesentlichen „zappen“, bevor sie das Auspuffrohr verlassen.

„Stellen Sie sich vor, Sie blicken auf die Rückseite eines Fahrzeugs oder eines Generators mit einem geraden Auspuffrohr. Wir würden einen Draht in der Mitte des Rohrs verlegen, Hochspannungsimpulse im Nanosekundenbereich darauf anlegen und im Auspuff Plasma erzeugen“, erklärte Singleton. „Wir gehen davon aus, dass es mit den Partikeln einen Großteil davon wieder in gasförmigen Kohlenstoff umwandelt. In Bezug auf NOx zerlegt es es im Grunde genommen in Stickstoff und Sauerstoff.“

Nach Angaben des Unternehmens kann das Verfahren NOx um bis zu 80 % und Dieselpartikel um bis zu 85 % reduzieren und gleichzeitig die Komplexität der Nachbehandlung reduzieren. „Der kommerzielle Gesamtvorteil ist ein einfacheres System“, sagte Singleton. „Im Moment braucht man zwei Systeme: SCR (selektive katalytische Reduktion) oder einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) in Kombination mit einem Dieselpartikelfilter (DPF).“

Die TPS-Nachbehandlungslösung macht den DPF und dessen Regenerationsbedarf überflüssig und ist zudem einfacher zu prüfen und zu warten. Es ist außerdem anpassbar und skalierbar für verschiedene Motoren und Geräte und steht sowohl für die Entwicklung neuer Produkte als auch als nachrüstbare Nachrüstlösung zur Verfügung.

Während viele Unternehmen bei der Entwicklung neuer Produkte zunächst auf das kleine Ende des Anwendungsspektrums abzielen, konzentriert sich TPS auf Hochleistungsanwendungen wie große Straßenfahrzeuge, Off-Highway-Geräte, Energieerzeugung und sogar die Schifffahrtsindustrie.

„Es gibt kein Allheilmittel – setzen Sie das einfach in dieser Form auf jeden einzelnen Motor und schon haben Sie es gelöst“, erklärte Singleton. „Es gibt Nischenprobleme, die wir lösen … Für die Off-Highway-Arbeiten, die wir durchführen, und die einen großen Teil unserer Arbeit ausmachen, geht es um bestimmte Vorschriften, die spezifisch für die Anwendungen sind.“

Beispielsweise könnte sich ein Erstausrüster an TPS wenden, um NOx um einen bestimmten Betrag zu reduzieren, um Vorschriften zu erfüllen, die andernfalls einen völlig neuen Motor erfordern würden. „In jedem Markt ist es ein anderes Problem“, sagte Singleton. „Wir versuchen gemeinsam mit den OEMs zu sagen: Hier ist das Problem, das wir für Sie lösen können, und so sieht unsere Lösung in dieser Form aus.“

TPS fertigt seit vielen Jahren Stromversorgungen im 1-kW-Bereich. „Wir haben dort sehr viel Erfahrung, sodass wir diese schnell an die kleineren Motoren liefern können“, sagte Singleton. Dennoch wurden erhebliche Mittel für Hochleistungsanwendungen bis hin zu dieselbetriebenen Schiffen bereitgestellt.

„Das ist eine geschäftliche Entscheidung. Das Schiffsproblem ist ein großes Problem, deshalb wurde dort viel Geld investiert“, sagte Singleton. „Aus praktischer Sicht ist es einfacher, kleiner anzufangen. Aber wenn es einen dringenden Bedarf gibt, der die Finanzierung vorantreibt, dann kann man von Anfang an groß werden.“

Der Einsatz der Plasmatechnologie in Nachbehandlungslösungen wurde in der Vergangenheit von OEMs evaluiert.

„Die Idee, diese Art von Plasma zur Behandlung von Emissionen einzusetzen, ist nicht neu“, räumte Singleton ein. „Tatsächlich wurde es in den frühen 2000er Jahren von allen großen Namen, die man erwarten würde, sehr genau geprüft. Sie entschieden sich damals für den SCR-Ansatz, und der Grund dafür ist, dass die Plasmasysteme noch nicht bereit waren Netzteile waren nicht zuverlässig, sie waren groß und teuer.“

TPS arbeitet daran, OEMs davon zu überzeugen, es erneut in Betracht zu ziehen. „Wir sind jetzt zu Besuch, um zu sagen: Es gibt jahrzehntelange wissenschaftliche Erkenntnisse, die belegen, dass dies funktioniert. Wir wissen, dass Sie es versucht haben, wir wissen, dass Sie es sich angesehen haben. Was jetzt anders ist, ist, dass wir über eine kommerziell nutzbare Stromversorgung verfügen, um das Plasma anzutreiben.“ sagte Singleton. „Das Wichtigste, was ich ihnen sagen möchte, ist: Schauen Sie es sich noch einmal an, denn es ist jetzt fertig.“

Und obwohl die Kosten des Systems immer noch Anlass zur Sorge geben könnten, sagte Singleton, dass sie an aktuellen Systemen gemessen werden müssten. „Ein großer Teil unseres Risikokapitals wurde in die Kostensenkung gesteckt. Offensichtlich ist die Erhöhung der Volumina eine Möglichkeit, die Kosten zu senken, und das wird für eine schnellere Einführung von entscheidender Bedeutung sein. Aber was wir im vergangenen Jahr gezeigt haben.“ „Anderthalb ist, dass wir uns in die Kostenstruktur bestehender Technologie einfügen können, wenn man sich den SCR, den DOC und den Dieselpartikelfilter ansieht.“

Auch die erbrachten Leistungen stehen in einem angemessenen Verhältnis zu den Kosten. „Wenn Sie eine Vorschrift erfüllen müssen, die besagt, dass Sie 80 % der Partikel entfernen müssen, ist das ein Kostenfaktor“, sagte Singleton. „Wenn Sie ein kritisches Bedürfnis hätten – wie zum Beispiel: ‚Wir verlieren diesen gesamten Markt, wenn wir ihn nicht auf 90 % bringen‘ – würden die Kosten des Systems steigen, aber Sie hätten mehr Nutzen daraus.“

Hinzu kommt die Möglichkeit, die bestehende ICE-Technologie zukunftssicher zu machen. Aktuelle Geräte können nicht nur mit dem TPS-System nachgerüstet werden, es ist auch kraftstoffunabhängig. „Wenn man von Diesel auf einen kohlenstoffärmeren Kraftstoff umsteigt, wird es immer noch funktionieren“, sagte Singleton und fügte hinzu: „Wir glauben, dass wir durch die Zusammenarbeit mit den OEMs das System für die nächste Generation von Kraftstoffen bereit haben werden.“

Das plasmabasierte Zündsystem sei in seiner Funktionsweise „etwas subtiler“, sagte Singleton. Das nachrüstbare System ersetzt die in einem herkömmlichen Ottomotor verwendeten Zündkerzen durch widerstandslose Plasmakerzen, die an ein Zündmodul angeschlossen werden, das wiederum an eine TPS-Stromversorgung angeschlossen ist. Diese Kombination erzeugt schnelle, präzise kontrollierte Plasmastöße, um eine hohe Spitzenleistung zu erzeugen, die einen stabilen Magerbetrieb des Motors mit energiearmer Zündung ermöglicht.

„Alle Motorenkonstrukteure wollten effizientere Verbrennungsmodi betreiben“, kommentierte Singleton. Das TPS-Zündsystem erweitert dieses „Zündbarkeitsfenster“, sagte er, und ermögliche es, beim Zündvorgang weitaus weniger Kraftstoff zu verbrauchen – und das bei gleichzeitig besserer Motoreffizienz und reduziertem CO2- und NOx-Ausstoß. „Wenn man viel weniger Kraftstoff einsetzt und außerdem bei einer niedrigeren Temperatur verbrennt, werden die Emissionen sinken.“

Laut TPS verbessert das System die Kraftstoffeffizienz nachweislich um bis zu 20 % bei niedrigen Lastpunkten (z. B. beim Fahren auf der Autobahn) und um 10 bis 15 % über einen gesamten Fahrzyklus. Effizienzgewinne wurden bei einer Vielzahl von Fremdzündungsmotoren nachgewiesen, darunter Benzin-, Hybrid- und Erdgasmotoren.

Auch bei alternativen Kraftstoffen wie Wasserstoff bietet das plasmabasierte Zündsystem Chancen. Während sich Wasserstoff sehr leicht entzünden lässt, stellt NOx ein erhebliches Problem dar, da der Kraftstoff bei hoher Temperatur verbrennt, bemerkte Singleton. „Auch hier möchten Sie weniger Kraftstoff einfüllen, um ihn bei einer niedrigeren Temperatur zu verbrennen, was den NOx-Ausstoß reduziert.“

Andere alternative Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren haben sich als sehr langsam brennend und schwer entzündlich erwiesen. „Motoren sind viel effizienter geworden als noch vor zehn Jahren. Der letzte Effizienzblock, der auf dem Tisch liegt, bevor man an die Grenzen der Physik stößt, hängt mit der Zündung zusammen“, sagte Singleton.

„Die Zukunft wird eine so vielseitige Mischung verschiedener Kraftstoffe, unterschiedlicher Lösungstypen und Hybride sein – all diese Dinge für unterschiedliche Märkte. Die TPS-Zündtechnologie wird den Handlungsspielraum der Motorenentwickler erweitern. Jetzt können sie sich ausdehnen.“ die Grenzen dessen, was sie vorher tun konnten.

„Wir betrachten dies grundsätzlich als Teil jeder künftigen Verbrennungslösung.“

Während Singleton verschiedene Anwendungen für die Zündtechnologie sieht, lagen die ersten untersuchten Ziele erneut im Schwerlastbereich, darunter Stromerzeugung und erdgasbetriebene Lastkraftwagen.

„Während wir die Technologie gewissermaßen über alle Kanäle prüfen, denke ich, dass die Einführung zuerst im Schwerlastbereich erfolgen wird und dann in den Automobilbereich übergehen wird“, sagte er und wies darauf hin, dass Anwendungen wie die Energieerzeugung tendenziell „sich verschieben“. Schneller." „Aus geschäftlicher Sicht ist der Zeitrahmen für die Markteinführung eines neuen Produkts kürzer.“

Obwohl sich das System als schnelle, unkomplizierte Lösung für fremdgezündete Motoren mit geringer Leistung erweisen könnte, wie sie beispielsweise leichte Baumaschinen antreiben, sagte Singleton: „Die Herausforderung hier sind wiederum die Kosten. Das sind wirklich preiswerte Motoren. Das heißt.“ Warum wir uns in den letzten anderthalb Jahren darauf konzentriert haben, die Kosten zu senken, damit wir dorthin gelangen können.“

TPS hat intensiv mit OEMs zusammengearbeitet, um Tests zur Zündtechnologie durchzuführen, Feedback einzuholen und sowohl die bevorstehenden Chancen als auch Herausforderungen zu identifizieren. „Wir haben mit ihnen gelernt … welche Probleme sehen sie, damit wir bei der Entwicklung nicht im Dunkeln tappen“, sagte Singleton. „Es war eine sehr positive Möglichkeit, ein Produkt mit mehreren Partnern zu entwickeln.“

OEM-Partner werden sich weiterhin als entscheidend erweisen, wenn es darum geht, letzte Hindernisse für die Kommerzialisierung beider Produkte zu überwinden.

„Was die Zündung betrifft, sind wir sehr zuversichtlich, dass wir mit der bestehenden Zündtechnologie mithalten können und über eine hohe Zuverlässigkeit verfügen. Der unmittelbare Grund dafür ist, dass alles auf bekannten Festkörpergeräten basiert, die eine sehr lange Lebensdauer haben“, so Singleton sagte.

„Auf der Emissionsseite wird es am Anfang etwas mehr Arbeit sein, weil man Zeit in diese Nachbehandlungssysteme investieren muss, um zu wissen, welche Herausforderungen auf das physische Gerät im Auspuffrohr zukommen werden. Das haben wir.“ Keine Sorge wegen der Stromversorgung, aber was im Endrohr passiert, müssen wir erforschen. Dazu sind also wiederum nur Tests und ein Partner nötig, der … Tausende von Stunden an den Motoren sehr schnell betreiben kann.

„Aus technologischer Sicht haben wir die meisten Hürden genommen, die … die OEMs aufgestellt haben. An diesem Punkt geht es also wirklich um die Kommerzialisierung. Es geht darum, diese Kommerzialisierungsvereinbarungen abzuschließen und herauszufinden, wer die Partner sind.“ Wir werden das mit uns über die Ziellinie bringen. Das ist es, was als nächstes für uns kommt.“