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2023 | Buch

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Emissionsfreie Mobilität und Energiewende

Funktionelle E-Fuels

verfasst von: Martin Härtl

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das Buch bietet eine technische und ökonomische Analyse der Ausgangssituation für die Energiewende und diskutiert synthetische Kraftstoffe auf der Basis von erneuerbarem Strom, sogenannte E-Fuels, als zielführende Option. Infrage kommende Stoffe werden vorgestellt mit einem Schwerpunkt auf Verbindungen ohne Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen (C1-E-Fuels). Diese verbrennen rußfrei und bieten damit einen zusätzlichen Vorteil im Hinblick auf die Reinhaltung der Luft, sie werden daher als funktionelle E-Fuels bezeichnet.

Oxymethylenether als funktionelle C1-E-Fuels für Dieselmotoren lösen den Zielkonflikt zwischen Partikeln und Stickoxiden auf und ermöglichen so Brennverfahren mit hoher AGR-Verträglichkeit zur innermotorischen NOx-Vermeidung. Schadstoffemissionen im Bereich der Nachweisgrenze der Emissionsmesstechnik und damit nahe dem Umgebungsniveau lassen sich an realen Motoren erreichen. Dimethylcarbonat und Methylformiat als funktionelle C1-E-Fuels für Ottomotoren bieten ebenfalls rußfreie Verbrennung und ca. 60 % verminderte NOx-Rohemissionen bei höchster Klopffestigkeit. Hocheffiziente und lokal effektiv emissionsfreie Motoren sind realisierbar.

Das Buch zeigt anhand des internationalen Stands der Wissenschaft und ausgewählter eigener Forschungsarbeiten, welche Potentiale bei Effizienz, Verbrennung und Emissionen funktionelle E-Fuels bieten, aber auch welche Aufgaben im Bereich der Abgasnachbehandlung, der Motorentechnik und der Emissionsmesstechnik noch zu lösen sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung und Hintergrund

Zusammenfassung

Historisch gesehen erfolgte die Entwicklung von Verbrennungsmotoren und deren Kraftstoffen stets parallel. Heute erfordert der Klimaschutz eine Abkehr von fossilen Kraftstoffen hin zu synthetischen Alternativen, so dass auch die Motorentechnik entsprechend angepasst und weiterentwickelt werden muss. Die Einleitung bietet eine Übersicht der aktuellen Anforderungen hinsichtlich CO₂-Reduktion und Emissionsvermeidung und analysiert insbesondere die Rolle und Verantwortung des Verkehrssektors in einer wirksamen Klimastrategie.

Martin Härtl

Kapitel 2. E-Fuels als Energiespeicher

Zusammenfassung

Die Verfügbarkeit nachhaltig erzeugter elektrischer Energie schwankt im Tagesverlauf stark und ist zudem jahreszeit- und witterungsabhängig. Als Puffer und Zwischenspeicher eignen sich Batteriesysteme oder synthetische Kraftstoffe. Dabei zeichnen sich E-Fuels durch die höchste Energiedichte aus, wobei jedoch hohe Wandlungsverluste in Kauf zu nehmen sind. Das Kapitel beleuchtet diesen Zielkonflikt aus technischer und wirtschaftlicher Perspektive, wobei die Nutzung der Energie für mobile Anwendungen und der Energietransport im globalen Maßstab im Vordergrund steht.

Martin Härtl

Kapitel 3. Eigenschaften von E-Fuels

Zusammenfassung

Eine Vielzahl von aus der Chemie bekannten Verbindungen eignen sich prinzipiell als E-Fuels. Als Basis können Plattformchemikalien mit hoher globaler Verfügbarkeit wie Wasserstoff, Methan, Methanol, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe betrachtet werden. Aus diesen lassen sich funktionelle E-Fuels maßschneidern, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften anwendungsspezifisch optimiert sind. Das Kapitel stellt diese Auswahlkriterien detailliert vor, wobei unter anderem die Eigenschaftsdimensionen Emissionsverhalten, Energiedichte, Verbrennungsverhalten, Siedeverhalten, Betriebssicherheit und Lagerbarkeit betrachtet werden.

Martin Härtl

Kapitel 4. Reihe der C1-Ether (OME): Anwendung und Herstellung

Zusammenfassung

Aufgrund ihrer rußfreien Verbrennung und hohen Zündwilligkeit werden Stoffe aus der Gruppe der Polyoxymethylendimethylether (OME) als Selbstzündungskraftstoff intensiv erforscht. Das Kapitel stellt diese Verbindungen und ihre grundlegenden Eigenschaften vor und geht dabei auf Herstellverfahren, Blendverhalten und die Kompatibilität mit Dichtungsmaterialien ein.

Martin Härtl

Kapitel 5. C1-Ether als E-Fuels für Selbstzündung: Charakterisierung am Dieselmotor

Zusammenfassung

Ausgehend von einer ausführlichen Zusammenfassung des internationalen Forschungsstandes zu OME werden die Ergebnisse eigener Arbeiten mit diesen Kraftstoffen präsentiert. Einerseits werden Dimethylether (DME) und Dimethoxymethan (OME1) betrachtet, die besonders gut verfügbar und effizient herzustellen sind, aber weitreichende Anpassungen an Tank- und Kraftstoffsystem erfordern. Andererseits werden Arbeiten mit längerkettigen OME vorgestellt, die durch ihre dieselähnlichen Eigenschaften zusätzliche Vorteile in der Handhabung besitzen. Das Kapitel diskutiert schließlich das Potential, einen Motor mit OME emissionsfrei zu betreiben.

Martin Härtl

Kapitel 6. C1-Ester als E-Fuels für Fremdzündung: Grundlagen und Eigenschaften

Zusammenfassung

Für Ottomotoren werden klopffeste und emissionsgünstige Kraftstoffe benötigt. Sauerstoffhaltige Verbindungen sind potentiell geeignet, weil sie eine rußfreie Verbrennung ermöglichen und nicht zur Selbstzündung neigen. Während Alkohole wie Ethanol oder Methanol bereits seit langem als Kraftstoffe eingesetzt werden, stellt das Kapitel die bislang weniger diskutierten Ester Methylformiat (MeFo) und Dimethylcarbonat (DMC) vor.

Martin Härtl

Kapitel 7. C1-Ester als E-Fuels für Fremdzündung: Motorversuche

Zusammenfassung

Ausgehend von einer ausführlichen Zusammenfassung des internationalen Forschungsstandes zu MeFo und DMC werden die Ergebnisse eigener Arbeiten mit diesen Kraftstoffen an einem PKW-Forschungsmotor präsentiert. Es wurden deutliche Vorteile bei Partikel- und Stickoxidemissionen beobachtet, die geringe Klopfneigung der Kraftstoffe konnte bestätigt werden. Diese Eigenschaften ermöglichen die Entwicklung emissionsarmer Ottomotoren mit hohem Wirkungsgrad, weil die Prozessführung näher an das thermodynamische Optimum gebracht werden kann.

Martin Härtl

Kapitel 8. Fazit: Forschungsfragen für die Zukunft

Zusammenfassung

Um die aufgezeigten Potentiale von E-Fuels im Allgemeinen und von sauerstoffhaltigen Verbindungen im Besonderen weiter zu erforschen und in Produkte umzusetzen sind weitere Arbeiten nötig. Das Kapitel geht auf die erforderliche Reduktion des Schmierstoffverbrauchs und die flexible Nutzung unterschiedlicher Kraftstoffe ein. Neue Messtechniken werden als wichtige Maßnahme zur Steigerung der Abgasqualität empfohlen und die veränderte Rolle von Verbrennungsmotoren in Zeiten der Elektrifizierung wird diskutiert.

Martin Härtl

Backmatter

Titel: Emissionsfreie Mobilität und Energiewende
verfasst von: Martin Härtl
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-67425-3
Print ISBN: 978-3-662-67424-6
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-67425-3

Springer Professional

Über dieses Buch

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung und Hintergrund

Kapitel 2. E-Fuels als Energiespeicher

Kapitel 3. Eigenschaften von E-Fuels

Kapitel 4. Reihe der C1-Ether (OME): Anwendung und Herstellung

Kapitel 5. C1-Ether als E-Fuels für Selbstzündung: Charakterisierung am Dieselmotor

Kapitel 6. C1-Ester als E-Fuels für Fremdzündung: Grundlagen und Eigenschaften

Kapitel 7. C1-Ester als E-Fuels für Fremdzündung: Motorversuche

Kapitel 8. Fazit: Forschungsfragen für die Zukunft

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