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Über dieses Buch

Das Buch ist als Kompendium angelegt und deckt das Wissen von Gesetzes-, Verbands- und Wirtschaftssektoren ab, die für die zukünftige nachhaltige Mobilität von entscheidender Bedeutung sind: 1. Regulatorische und umweltpolitische Randbedingungen; 2. Energiebereitstellung, Sektorkopplung, wirtschaftliche Bedeutung; 3. Nachhaltige Kraftstoffe für die Energiewende im Transport-, Verkehrssektor; 4. Anwendung synthetischer Otto- und Dieselmotorkraftstoffe.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Regulatorische und umweltpolitische Randbedingungen

Frontmatter

Verkehrsemissionsgesetzgebungen in der Europäischen Union sowie in Industrienationen und Schwellenländern

Dieser Beitrag orientiert sich an dem Continental Emission Booklet „Worldwide Emission Standards and Related Regulations“.

Hans Nuglisch, Thomas Maier, Sandra Müller

Europäische Regulierungen für Kraftstoffe, alternative Kraftstoffinfrastrukur und CO2-Ausstoß von Fahrzeugen

Dieses Kapitel versucht einen Überblick über die wichtigsten klimarelevanten Gesetzgebungen zu geben, die das Fahrzeug, den Antriebsstrang und die Antriebsenergie im Straßenverkehr betreffen – also hauptsächlich den CO2-Ausstoß von Fahrzeugen, alternative Antriebe und die CO2-Intensität von Kraftstoffen.

Markus Maly

CO2 und Emissionsgesetze, Anforderungen & Lösungen

Die Entwicklung der Treibhausgasemissionen im gesamten Verkehrssektor stagniert auf den ersten Blick. Im Jahr 1995 wurden 177 Mio. t CO2 und Äquivalente emittiert. Das von der deutschen Bundesregierung im Klimaschutzplan 2050 festgelegte Ziel ist eine Reduktion von 40 % bis 2030, also rund 60–70 Mio. t CO2, und eine Reduktion von 80 % bis 2050.

Joachim Damasky, Tobias Block

Energiebereitstellung, Sektorkopplung, wirtschaftliche Bedeutung

Frontmatter

Mobilität und Energie bedeuten Wohlstand

Energie, Mobilität und Wohlstand sind in unserer Gesellschaft untrennbar miteinander verwoben. Klimapolitik durch geplante Energierestriktionen und -preiserhöhungen zu betreiben, wird dabei vor allem die einkommensschwachen Bevölkerungsschichten treffen. Sinnvolle Lösungen sind erforderlich. Eine physikalisch-wirtschaftliche Betrachtung von Wolfgang Maus.

Wolfgang Maus

Die volkswirtschaftliche Bedeutung von Automobilindustrie und Mobilität

Die Zukunft des Verkehrs ist nicht nur eine technische Frage, sondern hat auch große Bedeutung für Wohlstand und Arbeitsplätze. Aus volkswirtschaftlicher Sicht geht es stets darum, aus dem technisch machbaren diejenigen Optionen zu realisieren, welche das besten Nutzen-Kosten-Verhältnis aufweisen. In einer Marktwirtschaft ist es grundsätzlich Aufgabe des Wettbewerbs, dies herauszufinden. Wenn die Preise die wahren Kosten – einschließlich externer Kosten wie Umweltbelastung und Unfallgefahren – widerspiegeln, kann und sollte man den Konsumenten die Wahl ihrer Verkehrsmittel überlassen. Nur sie können entscheiden, was ihnen der Nutzen und die Freiheit des Automobils bzw. die Vorzüge anderer Verkehrsträger wert sind. In der verkehrspolitischen Realität dominiert dagegen ein planwirtschaftliches Vorgehen, das zudem stark durch Ideologien geprägt ist: Die Politik gibt vor, welche Verkehrsmittel erwünscht sind und welche nicht, Angebot und Nachfrage müssen sich dem fügen. Dies führt zu hohen und unnötigen Kosten, auch im Umweltbereich, und gefährdet Arbeitsplätze nicht nur in der Automobilindustrie. Zudem drohen wirtschaftliche Dynamik und Konsumentensouveränität dabei auf der Strecke zu bleiben.

Ulrich van Suntum

Kohlenstoffbasierte EFuels – wird der „grüne“ Kohlenstoff zur knappen Ressource?

Eine Überschlagsrechnung für den deutschen Verkehrssektor

Die Bundesregierung und die Europäische Kommission haben ambitionierte Klimaziele zur „Dekarbonisierung“ der Volkswirtschaft formuliert. Gemeint ist aber eigentlich eine Defossilisierung der Volkswirtschaft – nachhaltige, kohlenstoffbasierte Brennstoffe können weiterhin dank Ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften, der damit verbundenen Vorteile beim Handling sowie der vorhandenen Infrastrukturen eine wichtige Rolle spielen – die Frage wird jedoch sein: Wo kommt der nachhaltige „grüne“ Kohlenstoff künftig her?

Christoph Gatzen, David Bothe

Indirekte Elektrifizierung mittels eFuels

Notwendiger Bestandteil einer erfolgreichen Energiewende im Verkehrsbereich

Um die Klimaschutzziele zu erreichen, muss Deutschland langfristig auch den Verkehrssektor nahezu vollständig auf erneuerbare Energien umstellen. Oft steht dabei die direkte Elektrifizierung von Fahrzeugen (insbesondere durch batterieelektrische Fahrzeuge) im Fokus. Diese energiewirtschaftliche Betrachtung von Frontier Economics zeigt jedoch, dass chemische Energieträger, die als E-Fuels aus erneuerbarem Strom gewonnen werden können, ebenfalls ein wichtiger Bestandteil einer erfolgreichen Energiewende im Verkehrsbereich sein werden.

David Bothe

Strom und erneuerbare Kraftstoffe – gemeinsame Lösung für die Verkehrswende

Im Vorgriff auf das Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 hat die Bundesregierung bereits im Jahr 2010 Ziele für die Reduktion von Treibhausgasen in Deutschland veröffentlicht. Das Energiekonzept 2010 sah CO2-Minderungsziele von 55 % bis 2030, 70 % bis 2040 und 80 % bis 95 % bis 2050 vor [1]. Diese Ziele wurden durch den „Klimaschutzplan 2050“ der Bundesregierung bekräftigt und um die Erreichung einer globalen Treibhaugasneutralität in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts erweitert [2].

Stephan Stollenwerk, Jens Kanacher, Frank-Detlef Drake

Nachhaltige Kraftstoffe (PtX) für die Energiewende im Transport-, Verkehrssektor

Frontmatter

C-1 Oxygenate als nachhaltige Kraftstoffe und deren günstige Eigenschaften

Für die Zukunftssicherung der Verbrennungsmotoren ist der Übergang von fossilen zu nachhaltig hergestellten Kraftstoffen, die ein Höchstmaß an Umweltverträglichkeit ermöglichen, die wirkungsvollste und kostengünstigste Maßnahme. Fünf hierarchisch abgestufte Kriterien der sozial-ökologischen Verträglichkeit einer Mobilität der Zukunft wurden bereits postuliert.

Eberhard Jacob

CO2 Capture from Air: A Breakthrough Sustainable Carbon Source for Synthetic Fuels

For the production of carbon-neutral synthetic hydrocarbon fuels, CO2 is a critical raw material for which a variety of sources exist. Today, industrial ammonia production is amongst the most common sources for CO2 since the gas is generated as a by-product in a highly concentrated form. Further industrial sources of CO2 include coal and gas-fired power plants, as well as steel and cement production. As only high purity CO2 can be used for the production of synthetic fuels, industrial sites need to be equipped with dedicated carbon capture technology. What’s more, such industrial CO2 sources do not allow for the recapturing of CO2 from the atmosphere once the synthetic fuels are consumed in the transportation sector. This means the carbon cycle cannot be closed using this method. A viable alternative for sourcing CO2 is highly concentrated, high purity CO2 captured directly from the atmosphere through a process called direct air capture (DAC). Of all possible CO2 sources, only biogenic sources and direct air capture allow for the carbon cycle to be sustainably closed and thus reach truly climate-neutral transportation with internal combustion engines. A further advantage of CO2 captured from air is that food security is neither interfered with nor put at risk. As such, direct air capture is considered one of the most feasible and promising CO2 sources for the production of synthetic fuels [3].

Valentin Gutknecht, Louise Charles

Synthetic Fuels

A Contribution of Chemistry to Sustainable Energy Systems

As it becomes more urgent to take action in CO2 reduction following the Paris accord it is essential to draw a plan for how a sustainable energy system may look like. This is not a fixed target but rather a plastic picture with, however a few hard contours in it. These contours describe critical elements interacting in the system sustainable energy.

Robert Schlögl

Industrial Approach for Direct Electrochemical CO2 Reduction in Aqueous Electrolytes

With the unprecedented rise of renewable energies, we will experience a profound change of our energy system, moving away from an unsustainable unidirectional energy system to a stable cyclic energy system. Carbon dioxide (CO2) is a product unavoidably coupled to the energy production for electricity generation or transport based on fossil fuels and the emission need to be reduced. Economic solutions for storage or conversion possibilities of large quantities of energy are essential in the future due the volatility of renewable electricity. This article will look into the industrial aspects of a new technology that converts collected CO2 into fuel precursors using renewable energy, thus opening a path for CO2 neutral transportation keeping combustion engines or hybrid concepts.The standard method to make green fuel would be to collect CO2 and to let it react with green Hydrogen (H2) from water electrolysis powered by renewable energy. This happens in a high-temperature catalytic bed reactor, already scaled up by chemical industry. As a potentially advantageous technological path, recent research opened up the pathway of a direct electrochemical reduction of the CO2. This can be done at room temperature using water based electrolytes. To reach industrially relevant reaction rates, a technology called “gas diffusion electrode” must be employed which is the key to sufficient access of the CO2 to the cathode performing the reaction. There are already well established catalysts like silver for the production of CO/syngas, whereas catalysts for the direct generation of hydrocarbons out of CO2 are under research. The first steps of applied work towards the industrialization of such a technology are described.

Maximilian Fleischer, P. Jeanty, K. Wiesner-Fleischer, O. Hinrichsen

Strombasierte Kraft- und Brennstoffe als Verknüpfung von weltweiten Energiesystemen

Es gibt weltweit verschiedene Standorte, an denen künftig die Stromerzeugung aus Sonne und Wind zu Preisen im Bereich von 2 ct/kWh möglich sein wird. An Beispielstandorten in Marokko, Dubai und Australien wurden Systemauslegung zum konzeptionellen Design für Power-to-Fuel Anlagen durchgeführt. Die geeignete Wahl von Komponentengrößen und die zugehörige Betriebsstrategie führen zu Produktionskosten für strombasierte Kraft- und Brennstoffe von 1,0 bis 1,5 EUR/l im mittelfristigen Zeithorizont und unter 1 EUR/l im langfristigen Ausblick.Transportkosten flüssiger Energieträger sind im Vergleich dazu vernachlässigbar; selbst bei der Berücksichtigung globaler Transportwege. Es ist daher naheliegend die strombasierten Kraft- und Brennstoffe gezielt dort herzustellen, wo die besten Wetterbedingungen herrschen. Durch die Umwandlung in flüssige Energieträger wird der kostengünstige elektrische Strom nutzbar gemacht, selbst wenn es keinen Zugang zur elektrischen Netzinfrastruktur gibt.Die Chance besteht daher in der Verknüpfung globaler Energiesysteme. Gegenden mit sehr guten Wetterbedingungen haben einen strategischen Vorteil zur Produktion von strombasierten Kraft- und Brennstoffen und haben die Möglichkeit lokaler Wertschöpfung und Energieexport. Länder, die heute in großem Maße von Energieimporten abhängig sind und Dekarbonisierungsziele verfolgen, könnten somit auf Windenergie und Photovoltaik an weltweiten Standorten zugreifen.

Alexander Tremel

Konzepte für die nachhaltige und CO2-neutrale Energieerzeugung aus organischen Rest- und Abfallstoffen sowie NONFOOD-NawaRo

Die Versorgung mit Energie hat sich für alle Gesellschaften bereits seit den antiken Überlieferungen als ein zentrales Problem entwickelt.

Ergun Çehreli, Arno Schneider

Technologien zur Produktion von Wasserstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe

Durch Hydrierung von CO2 lassen sich Kraftstoffe synthetisieren, die einen CO2-armen Betrieb von Verbrennungsmotoren ermöglichen. Voraussetzung dazu ist die CO2-arme Produktion von Wasserstoff. Referenzverfahren dafür ist die Dampfreformierung von Erdgas. Nachfolgend wird der Stand der Kenntnis zu verschiedenen infrage kommenden Verfahren und Verfahrensansätzen zur Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen (Erdgas und Kohle), Biomasse, H2O und H2S beschrieben. Wichtige Parameter für eine Bewertung der Verfahren sind die Energieeffizienz, die CO2-Emission und die Integration in vorhandene Industrieparks. Primär zur Erzeugung von Synthesegas entwickelte Verfahren können zwar auch für eine Wasserstofferzeugung erweitert werden. Das ist aber für eine CO2-arme Kraftstoffsynthese kein Vorteil. Die Entwicklung der Methanpyrolyse als CO2-armes Produktionsverfahren für Wasserstoff erscheint besonders aussichtsreich, wenn die dabei entstehenden Koppelprodukte ohne CO2-Emission nutzbar sind. Die Wasserstofferzeugung durch elektrolytische Spaltung von H2O erfordert die Verwendung von CO2-freier elektrischer Energie. Die Spaltung von H2S in H2 und Schwefel ist wesentlich energieärmer als die Spaltung von Wasser aber bislang nur im Labor erfolgreich erprobt worden. Hier fehlt noch viel Entwicklungsarbeit.

Günter Harp

Homogen katalysierte Synthese von Oxymethylenethern (OME) durch Aufnahme von molekularem Formaldehyd

Oxymethylenether (OMEn; CH3(-OCH2-)nO-CH3, n = 3–5) stellen eine neuartige Klasse synthetischer Kraftstoffe dar, welche durch deren rußfreie Verbrennung steigendes Interesse erzeugen. In diesem Artikel wird eine neue wasserfreie OMEn Synthese vorgestellt. Bei 25–30 °C reagiert Dimethoxymethan (OME1) unter Anwesenheit katalytischer Mengen verschiedener Trimethyloxoniumsalze mit monomerem, gasförmigen Formaldehyd unter der Bildung reiner OMEn Mischungen. Dieser neuartige Ansatz zur Bildung von OMEn stellt einen vielversprechenden neuen Schritt zu einer nachhaltigen OMEn Synthese auf der Basis von CO2 und H2 dar.

Andreas Peter, Eberhard Jacob, Ingo Krossing

Power-to-Methanol: Techno-Economical and Ecological Insights

Methanol synthesis based on renewable electricity generation, sustainable hydrogen (H2) and recycled industrial carbon dioxide (CO2) represents an interesting solution to integrated renewable energy storage and platform chemical production. In this work the technological overview of the methanol synthesis from conventional feedstocks and based on CO2 is provided. The business case for this electricity based product under current market conditions (e.g. vs. conventional fossil methanol production cost) and the appropriate implementation scenarios to increase methanol attractiveness and adoption is highlighted. A complementary ecological evaluation of PtM process is provided and recommendations for this sustainable platform based on these understandings are highlighted.

Mohamed Ouda, Christoph Hank, Florian Nestler, Max Hadrich, Johannes Full, Achim Schaadt, Christopher Hebling

Sunfire – Erneuerbare Moleküle aus CO2 und H2O zur Substitution von Erdöl und Erdgas

Power to X – Full integration of renewables into all sectors

Sunfire startete 2008 als Projekt und wurde 2010 als Firma gegründet. Ursprünglich beschränkt auf das Ziel der Power-to-Liquid – Technologie erweiterte sunfire seine Aktivitäten und Fähigkeiten rund um die Festoxidtechnologie (Solid Oxide Cell; SOC) als Kernbaustein für Brennstoffzellen- und Elektrolysesysteme. Bei der Elektrolyse wird zwischen Wasserstoffproduktion (HyLink) und Synthesegasbereitstellung (SynLink) unterschieden. HyLink und SynLink sind jeweils Kernbausteine für PtG/PtL – Prozesse, je nachdem ob CO2 erst in der Synthese zugeführt wird (HyLink) oder bereits vor der Synthese zu CO reduziert werden muss (SynLink). Die SOC-Technologie zeichnet sich beim Einsatz als Elektrolyseur durch einen besonders hohen elektrischen Wirkungsgrad aus, wenn Dampf aus Abwärme zur Verfügung steht (Hochtemperaturwasserdampfelektrolyse). Sunfire hat eine industrielle Demonstrationsanlage „Fuel 1“ in Dresden errichtet und durch Produktion von mehr als drei Tonnen „e-crude“ erfolgreich validiert. Projekte im MW-Bereich sind in Planung. Märkte sind entweder Nischenanwendungen oder entstehen durch regulatorische Rahmenbedingungen zur Erreichung von Klimaschutzzielen. Die Kosten für PtL-Produkte sind höher als die ihrer fossilen Pendants, was bei weiterhin unterbleibender Internalisierung von fossilen Folgekosten auch noch lange so bleiben wird. Sie liegen jedoch innerhalb der Zahlungsbereitschaft der Kunden (Tankstellenpreise inkl. Steuer). Sunfire konzentriert sich derzeit auf die Marktvorbereitung und den Produktionshochlauf mittels industrialisierter Produkte.

Christian von Olshausen, Karl Hauptmeier

A Technology Review and Cost Analysis of the Production of Low Carbon Methanol and Following Methanol to Gasoline Process

The increasing feed-in of electricity from fluctuating renewable energy sources (RES) can lead to sporadic excess supply of electricity to the grid and subsequently curtailment of RES plants and of existing thermal power plants. Industry has developed several technologies for energy storage at MWh scale over short time-periods of hours. Energy storage, which takes advantage of resources from both the energy sector and industry, coupled with the production of fuels for transport, offers a unique chance to integrate more renewables in the electricity grid and enable sustainable, rapid decarbonisation of mobility. Fuels like methanol, gasoline, diesel or kerosene derived from hydrogen – produced from RES via water electrolysis – and CO2 – captured from industrial processes – have a lower CO2 footprint and do not compete with food production, unlike bioethanol or biodiesel. This technology offers a new business model to utilities, which today are restricted to heat and electricity production and play no role in the green fuel market. The paper is based on publications [1–5] as well as the references named in the publications and presents case studies on carbon intensity, efficiency, and economy of CO2 derived fuels that can be produced by existing technology. Furthermore, it describes a new business model for energy producers and energy intensive industries in co-operation with (petro)chemical industry. It is also shown that this approach will help to overcome issues with competition between the biofuel sector and food production. This new business model allows traditional power producers to diversify, in order to attract sufficient revenues in future markets with high RES penetration.

Christian Bergins, Torsten Buddenberg, Efthymia-Ioanna Koytsoumpa, Maria João Duarte, Emmanouil Kakaras, Stephan Schmidt, Alexander Deierling

Sustainable Fuel from CO2 and Electricity: A Commercial Scale Solution Ready to Meet Future Challenges

Since the early 20th century, transport by road, sea and air has mainly been fueled by liquid hydrocarbons derived from crude oil. As crude oil derivatives have enjoyed a large cost advantage compared to alternative more sustainable fuels, the symbiotic development of fuel distribution and engine technology has centered around fossil fuels.

Benedikt Stefansson, Ómar Sigurbjörnsson

Methanol – der Kraftstoff, der uns morgen antreibt

Die Energie- und Rohstoffwende stellt uns in Deutschland vor zahlreiche Herausforderungen. In der gegenwärtigen Situation wird sie aus verschiedenen Gründen eher als Bedrohung denn als Chance gesehen, wodurch die Möglichkeiten, die die Energiewende bietet, verspielt werden. Dabei stehen wir vor einer historischen Gelegenheit, Umweltschutz, Energieeffizienz und Mobilität zum Nutzen aller zu vereinen.

Martin Bertau, Michael Kraft, Ludolf Plass, Hans-Jürgen Wernicke

Die Rolle von Dimethylether (DME) als Schlüsselbaustein synthetischer Kraftstoffe aus erneuerbaren Rohstoffen

Zur Herstellung alternativer Kraftstoffe aus erneuerbaren Rohstoffen steht eine Reihe von Verfahren zur Verfügung und mehrere solcher Kraftstoffe haben sich schon lange am Markt etabliert [1]. Bedeutende Beispiele für diese Biokraftstoffe der ersten Generation sind Ethanol, das fermentativ aus Stärke bzw. Zuckern gewonnen wird [2], Biodiesel, aus der Umesterung von Fettsäureestern mit Methanol (Fatty Acid Methyl Esters, FAME) [3], oder hydrierte Pflanzenöle (Hydrogenated Vegetable Oils, HVO) [4]. Durch den Einsatz solcher Kraftstoffe können, im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen aus fossilen Quellen, CO2-Emissionen deutlich reduziert werden. Voraussetzung ist eine nachhaltige Produktion über die ganze Prozesskette hinweg, von den Einsatzstoffen bis hin zum Kraftstoff. Dies impliziert nicht nur die Verwendung erneuerbarer Rohstoffe, die nicht in Konkurrenz zu etablierten Märkten, z. B. zum Nahrungsmittelsektor stehen, sondern auch den Einsatz regenerativer Energien.

Ulrich Arnold, Philipp Haltenort, Karla Herrera Delgado, Benjamin Niethammer, Jörg Sauer

Nutzung synthetischer, nachhaltiger Otto- und Dieselmotor Kraftstoffe (PtX)

Frontmatter

Defossilizing the Transportation Sector

Options and Requirements for Germany

In accordance with the Climate Action Plan 2050, Germany is to become predominantly greenhouse gas-neutral by 2050. However, it is not possible to fully decarbonize the transportation sector when vehicles are powered by combustion engines that use fossil fuels. This is also the case if the entire remaining potential for optimizing combustion engines and vehicles is exhausted. In order to achieve the CO2 emission targets, suitable concepts are therefore necessary.

Ulrich Kramer

Das Potenzial einer alternativen Kraftstoffstrategie

Die Erreichung der in Paris vereinbarten Klimaziele zur Reduktion des CO2-Abdruckes („carbon footprint“) bedarf bedeutender Veränderungen, besonders jedoch zukunftsfähiger Innovationen im Energiebereich. In Deutschland haben sich hierbei die Sektoren des Energiesystems im Zuge der Energiewende und der Umsetzung des Klimaschutzplans 2050 in unterschiedlichem Maß weiterentwickelt. Während etwa im Jahr 2014 in der Energiewirtschaft und im Gebäudesektor bereits ein sichtbarer Rückgang bei den CO2-Emissionen gegenüber dem Referenzjahr 1990 erreicht wurde, stagnieren demgegenüber die CO2-Emissionen im Verkehrssektor.

Olaf Toedter, Thomas Koch

Gibt es in der Industrie in 20 Jahren noch Verbrennungsmotoren?

Die oben gezeigten Arbeitsmaschinen und Industrieanwendungen mit mehr als 76 kW, werden heute vorwiegend durch Dieselmotoren bestritten. Ein kleiner Teil verwendet Gasmotoren mit LPG oder CNG. Weniger als 0,5 % bei mobilen Arbeitsmaschinen verwenden elektrische Antriebe.

Rudolf Ellensohn, Andreas Link

Oktan- & Vorentflammungskennzahlen

[1], [8] Die bekanntesten Kraftstoffspezifikationen zur Beschreibung des Klopfverhaltens sind derzeit die Research-Oktanzahl (RON) und die Motor-Oktanzahl (MON). Beide werden experimentell mit einem normierten CFR-Prüfmotor ermittelt. Der genaue Ablauf der Oktanzahlprüfung ist in den Normen ASTM D2699 (EN-ISO 5163) für RON, D2700 (EN-ISO 5164) für MON sowie der DIN 51756-7 für Alkoholkraftstoffe festgehalten. Die Oktanzahl wird mit der sogenannten „Eingabelungsmethode“ mit Gemischen aus n-Heptan und Isooktan bestimmt.

Josef Graf, Christian Martin

Einsatz von Alkoholen in MPFI und DI Ottomotoren

Die Verwendung von Ethanol als Kraftstoff ist beinahe so alt wie der Ottomotor selbst – bereits Nikolaus Otto setzte reinen Alkohol als Kraftstoff für seine Motoren ein. In diesem Kapitel werden nach einem kurzen historischen Rückblick die relevanten Stoffeigenschaften von Alkoholen für die Verwendung in Ottomotoren dargestellt. Des Weiteren werden die Auswirkungen dieser Eigenschaften auf den Motorstart, den Warmlauf und die Emissionen im Betrieb erläutert. Für den praktischen Einsatz von Alkoholen als Kraftstoffe sind vor allem Alkohol-Benzin-Blends von Bedeutung. Aus diesem Grund wird in Folge auf den Motorbetrieb mit verschiedenen Alkoholblends in Bezug auf Verbrennungseigenschaften, Emissionen, Effizienz und Performance eingegangen.

Peter Hofmann, Thomas Lauer

e-Fuels – ein zentraler Baustein für den Motor der Zukunft?

Die Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors mit ottomotorischem Brennverfahren hat das Ziel einer effizienteren Verbrennung bei gleichzeitiger Verringerung der Schadstoffemissionen. Insbesondere die Einhaltung weltweiter Emissions- und CO2-Standards und die Erfüllung von Kundenbedürfnissen nach nachhaltiger Mobilität wird den Einsatz zukünftiger Technologien prägen.

Lars Hentschel, Karsten Michels, Thomas Garbe, Martin Hönig

DMC+ als partikelfreier und potenziell nachhaltiger Kraftstoff für DI Ottomotoren

DMC+ as Particulate Free and Potentially Sustainable Fuel for DI SI Engines [Hä18]

C1-Kraftstoffe lassen sich mit einfachen Verfahren aus CO2 und H2 nachhaltig herstellen, zeichnen sich durch ihren hohen Sauerstoffgehalt und das Fehlen von C-C Bindungen aus und führen zu äußerst geringen Partikelemissionen bei der Verbrennung. Im Vergleich zur Verwendung von Kraftstoffen auf KW-Basis minimieren C1-Oxygenate mit Ausnahme von Methanol das Gefahrenpotenzial für Gesundheit und Umwelt. Während bei Dieselmotoren bereits seit einigen Jahren die Stoffklasse der Oxymethylenether (OME) als emissionsgünstige Option für nachhaltig herstellbare synthetische Kraftstoffe untersucht wird, fehlen entsprechende Lösungen für Ottomotoren.Die Senkung der Grenzwerte für die Partikelanzahl mit Euro 6c/d befördert für Ottomotoren die Suche nach solchen Kraftstoffen. Die C1-Oxygenate DMC und MeFo zeichnen sich durch hohe Klopffestigkeit und günstige Gemischbildungseigenschaften aus. Sie sind auf nachhaltige Weise als E-Kraftstoffe herstellbar.Während der Einsatz von reinem DMC bzw. MeFo jeweils Nachteile bezüglich der Tieftemperaturstabilität bzw. der Verdampfungseigenschaften mit sich bringt, wird hier der Weg zur Anwendung dieser beiden Oxygenate aufgezeigt. Die Entwicklung von DMC+  (Dimethylcarbonat + Methylformiat + Ethanol) auf Basis der C1-Chemie eröffnet die Chance für eine emissionsfreie Mobilität auch mit Ottomotoren.Präsentiert wird die Methodik zur Definition einer zielführenden Formulierung für DMC+ sowie Ergebnisse aus Versuchen mit DMC+ an einem Otto-DI Einzylindermotor. Ein Rückgang der PN-Emissionen um zwei Größenordnungen sowie eine deutliche Senkung der Emission von NOx und organischen Komponenten (VOC) im Rohabgas wird demonstriert. Es kommt ein Dreiwegekatalysator zum Einsatz, der im stöchiometrischen Betrieb niedrigste Emissionen luftverunreinigender Komponenten ermöglicht. Besonderes Augenmerk wird auf die Emission von sub-23 nm-Partikeln gelegt, die durch den Oxygenat-Kraftstoff ebenfalls deutlich reduziert werden.

Martin Härtl, Andreas Stadler, Sebastian Blochum, Dominik Pélerin, Thomas Maier, Vinicius Berger, Georg Wachtmeister, Philipp Seidenspinner, Thomas Wilharm, Eberhard Jacob

DME – A Sustainable Fuel Solution for Clean and Closed CO2-Cycle-Mobility for CI Powertrain

Reducing emissions and greenhouse gas emissions have become the major challenge for developing sustainable powertrain concepts. In addition to electrification strategies up to full battery electric vehicles, the conventional internal combustion engine can fulfil the CO2 and emission requirements if the fuel of the engine is carefully selected. In the paper, DME (Dimethyl ether) as a promising Diesel fuel replacement will be discussed with regard to mixture preparation, combustion and emission performance and compared against the conventional Diesel baseline. For the comparison, results of detailed simulations and experimental investigations (Spray chamber, single cylinder engine) will be discussed.

M. Zubel, T. Ottenwälder, B. Heuser, C. Herudek, H. Maas, W. Willems

OME als Reinstoff: Emissionsreduktion bei Dieselmotoren durch sauerstoffhaltige synthetische Kraftstoffe

Neat OME: Emission Reduction for Diesel Engines by Synthetic Oxygenate Fuels [Hä18]

Die luftverunreinigenden Emissionen von Verbrennungsmotoren werden einerseits durch das verwendete Brennverfahren und die eingesetzten Abgasnachbehandlungseinrichtungen bestimmt, andererseits hat jedoch auch die Zusammensetzung des genutzten Kraftstoffs einen signifikanten Einfluss auf die charakteristische Emission von Partikeln und gasförmigen Schadstoffen. Insbesondere bestimmte sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe (Oxygenate) haben das Potenzial zur rußfreien Verbrennung und sind eine geeignete Basis für solche emissionsoptimierten Energieträger. Der vorliegende Vortrag präsentiert wesentliche Anforderungen an den Kraftstoff für eine rußfreie Verbrennung und zeigt experimentelle Ergebnisse mit dem besonders wirkungsvollen Oxymethylenether (OME), der in Rahmen eines geschlossenen CO2-Kreislaufs klimaneutral hergestellt und genutzt werden kann.

Martin Härtl, Dominik Pélerin, Kai Gaukel, Patrick Dworschak, Georg Wachtmeister

Synthetische Kraftstoffe

Anwendung von Oxymethylenether (OME) am Dieselmotor

Zur langfristigen Sicherstellung von Mobilität und Transport sind Kraftstoffe als Energieträger unverzichtbar. Ihre flexible Handhabung, die hohe Energiespeicherfähigkeit verbunden mit langjährig bewährten krisensicheren Infrastrukturen machen sie zu einer essenziellen Säule einer verantwortungsbewussten Energiepolitik.In diesem Kapitel wird mit OME (Oxymethylenether) ein Kraftstoff betrachtet, der die genannten Anforderungen erfüllt und daher ein sehr interessanter Kandidat für eine langfristige Kraftstoffpolitik ist. Als Ersatzkraftstoff für das dieselmotorische Brennverfahren richtet er sich zudem an die breitestmögliche Anwendung (LKW, PKW, Baumaschinen, Industriemotoren bis hin zu Bahn- und Schiffsanwendungen). Im Rahmen des Beitrags werden verschiedene Ansätze zur Markteinführung beleuchtet und mit dazugehörigen Motor- oder Fahrzeugversuchen untermauert.

Christian Beidl, Markus Münz, Alexander Mokros

Alcoholic Fuels in Diesel Engines. Methanol, Ethanol and Butanol

On a modified diesel engine at the Institute for Powertrains and Automotive Technology at the Vienna University of Technology, fuel-specific combustion processes are being developed and analysed regarding their feasibility, efficiency and emissions. This article handles the operation of a diesel engine with bio-alcohols. The investigated fuels are methanol, ethanol and butanol. Due to the very low cetane number of these alcohols, their usage is normally assumed with spark ignition engines but not with a compression ignition engine. However, there are technical possibilities for alcohol fuel utilization in a diesel engine: 1) small amounts of the alcohol may be added to the conventional diesel fuel and 2) the diesel engine may be modified to operate in a dual fuel mode, whereas the alcoholic fuel is fed into the intake manifold and the diesel is directly injected into the combustion chamber. The addition of 10 or 20 vol% alcohol to the diesel fuel results in a significant reduction in soot emissions, especially at low loads. No significant differences to diesel reference operation are determined when operating with alcohol-diesel blends. By supplying alcohols into the intake manifold, depending on the operating point, substitution potentials of up to 85 % energy share can be achieved before unwanted combustion phenomena prevent a further increase of the alcohol amount. At higher loads within this operation mode the efficiency is increased by almost 2 % points. The observed strong decrease in particle mass and count allows a further reduction of the nitrogen oxide emissions.

Aleksandar Damyanov

Di-n-Butylether (DBE)

Similarly to oxymethylene ethers, di-n-butylether (DBE) is also a very attractive oxygen containing candidate for diesel fuel alternative. The substance possesses properties, which make it suitable for diesel engine use. This fuel may also be produced from lignocellulosic biomass and in this case CO2 savings potentials by up to 70% can be expected, according to previous investigations. The investigated compound is injected into the combustion chamber both as a neat fuel and as a diesel-biofuel-blend with 20 vol% bio-ether share.

Aleksandar Damyanov

Tributylcitrat, Butyllevulinat und Diglyme als mögliche sauerstoffhaltige Biokomponenten im Dieselkraftstoff

Die Zumischung von Fettsäure-Methyl-Ester (FAME) zu Dieselkraftstoff führt in der Dieselpartikelfilter- (DPF-) Regeneration zu einem erhöhten Kraftstoffeintrag in das Motoröl, weshalb der Anteil gesetzlich auf 7 % volumetrisch limitiert ist. Für die Anhebung der biogenen Beimischrate werden daher Kraftstoffe gesucht, die ein hohes Treibhausgaseinsparungspotenzial aufweisen und dabei keinen negativen Auswirkungen auf das motorische Betriebsverhalten haben. Am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien wurden gemeinsam mit den Partnern OMV Refining & Marketing GmbH und BMW Motoren GmbH alternative, sauerstoffhaltige, erneuerbare Dieselkomponenten hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das motorische Verhalten und die Abgaszusammensetzung untersucht. Der Focus wird dabei auf nicht limitierte Abgaskomponenten, Partikelemissionen und das Ölverdünnungsverhalten gelegt. Wie gezeigt wird können in diesen Bereichen mit den intensiv untersuchten Komponenten Tributylcitrat, Butyllevulinat und Diethylenglykoldimethylether (Diglyme) Vorteile gegenüber der bisher weit verbreiteten biogenen Dieselersatzkomponente FAME erzielt werden.

Aleksandar Damyanov

Fischer-Tropsch-Diesel

Im Zuge der Bestrebungen die Treibhausgasemissionen des Verkehrssektors zu reduzieren stellt Fischer-Tropsch-Dieselkraftstoff (FT-Diesel) ein vielversprechender Ansatz dar. Dieser hat die Verwertung aller organischen Materials als Basis. Als synthetisch hergestellter Kraftstoff erreicht er teilweise höhere Qualitätsstandards als konventioneller Diesel und ist deshalb für den motorischen Einsatz als reiner Alternativkraftstoff aber auch als Mischungskomponente grundsätzlich geeignet. Derzeit sind einige Herstell- und Aufbereitungsverfahren für FT-Diesel in Entwicklung. Von Interesse dabei sind die Auswirkungen der verschiedenen Verfahren auf das motorische Betriebsverhalten. Unter diesen Gesichtspunkten wurden in einem Forschungsprojekt an der TU Wien die Einflüsse verschiedener Fischer-Tropsch-Dieselkraftstoffe auf ihre Auswirkungen auf das Emissionsverhalten in einem Fahrzeug am Rollenprüfstand untersucht.

Aleksandar Damyanov

Hydriertes Pflanzenöl (HVO)

Im Zuge eines Forschungsprojekts am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien wurde das Verhalten von HVO in verschiedenen Mischungsverhältnissen mit konventionellem Dieselkraftstoff an einem modernen Dieselmotor untersucht. Der Kraftstoff ist im Gegensatz zu fossilem Diesel praktisch aromatenfrei. Aufgrund dieser Tatsache kann mit dem Kraftstoff eine beträchtliche Absenkung der Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen sowie der Rußbildung erreicht werden. Ein wichtiges Kriterium beim Einsatz von alternativen Kraftstoffen ist die Auswirkung auf die Ölverdünnung bei Nacheinspritzung im Partikelfilter-Regenerationsbetrieb. Hierbei werden im Niedriglastbereich durch sehr späte Nacheinspritzungen teils erhebliche Mengen an Kraftstoff durch Wandanlagerung in das Schmieröl eingetragen. Die hohe Zündwilligkeit des Alternativkraftstoffes hat einen Anstieg des im Brennraum umgesetzten Kraftstoffes zu Folge. Somit steht weniger unverbrannter Kraftstoff im Oxidationskatalysator zur Erzeugung der notwendigen Temperaturen zur Verfügung, was wiederum eine Anhebung der Nacheinspritzmenge erfordert. Bei allen Untersuchungen welche von der konventionellen Dieselverbrennung abweichen hat sich gezeigt, dass eine Beimischung von 20 % HVO zu konventionellen Diesel zu Vorteilen bei Partikel-, HC- und CO-Emissionen führt. Gleichzeitig können hier keinerlei Nachteile beobachtet werden. Allerdings können steigende Beimischraten aufgrund der hohen Cetanzahl zunehmend Probleme bei Applikation des Motors auf Norm-Dieselkraftstoff durch einen verkürzten Zündverzug nach sich ziehen. Beimischungen über 20 % sind aber nach der derzeitigen Gesetzeslage nicht zu erwarten.

Aleksandar Damyanov

Kraftstofftechnologien für emissionsarme Mobilität

Steigender Wohlstand und der Wunsch nach individueller Mobilität führen dazu, dass sich der weltweite Pkw-Bestand bis 2035 auf rund 1,8 Mrd. Fahrzeuge verdoppeln wird. Die steigende Nachfrage nach Waren und Flugreisen lässt im gleichen Zeitraum auch die Schwerlast-, Schifffahrts- und Luftfahrtbranche deutlich wachsen. Technologische Verbesserungen werden die Effizienz von Motoren weiter steigern. Dennoch wird erwartet, dass der globale Treibstoffbedarf steigt [1].Mit dem Ziel, die Erderwärmung auf deutlich unter 2 °C zu begrenzen, haben sich auf der UN Klimaschutzkonferenz 2015 in Paris 195 Länder auf ein weltweites Klimaschutzabkommen geeinigt. Die EU hat sich verpflichtet, die Treibhausgasemissionen bis 2050 um 80–95 % im Vergleich zu 1990 zu reduzieren [2]. Dieses anspruchsvolle Ziel, verbunden mit der aktuellen Diskussion über regionale und lokale Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität, insbesondere in Innenstädten, stellt die Energie- und Automobilindustrie vor große Herausforderungen.Die Elektrifizierung der Fahrzeugflotte ist eine mögliche Antwort auf diese Herausforderung. Dennoch ist es unbestreitbar, dass der Verbrennungsmotor noch ein beträchtliches Potenzial hat, für mehrere Jahrzehnte einen wesentlichen Beitrag für eine sauberere Mobilität zu leisten. Daher ist es notwendig, Wege zu entwickeln, um fossiles CO2 mit alternativen Rohstoffen, neuen Verbrennungsprozessen und Herstellungswegen zu reduzieren.Gezielte Forschung und die Entwicklung neuer Kraftstoffe, Verbrennungsmotoren sowie Elektrofahrzeug- und Hybridtechnologien sind erforderlich, um die CO2-Emissionen zu reduzieren und die Luftqualität auf sinnvolle, kostengünstige und anwenderfreundliche Weise zu verbessern.BP steht vor der Herausforderung solche Kraftstoffe bereitzustellen, die eine emissionsarme Mobilität ermöglichen.

Peter Sauermann, Bochum Ian Sharp

Diesel-OME-Blends

Diesel engines with their high efficiency are of great importance for the transport of passengers and goods. However, the typical exhaust gas emissions from the combustion of conventional diesel fuel make further development inevitable, if future air quality regulations are to be met. Second generation biofuels have the potential to reduce the CO2 emissions of the transport sector, while simultaneously mitigating ethical questions surrounding the issue of food production. Furthermore, oxygenated fuels provide beneficial combustion properties and can help to solve traditional conflicts of objectives like the soot-NOx trade-off or the efficiency-NOx compromise. Among many candidates oxymethylene ethers (OME) are discussed to be promising alternatives to fossil fuels for future diesel engine powering. They can completely substitute diesel or may be mixed with it. Polyoxymethylendimethylethers (POMDME, also called oxymethylene ethers or OME), are known to provide almost soot free combustion and their usage might wipe out major constraints of diesel engines by reducing emissions and improving efficiency.

Aleksandar Damyanov

OME – Diesel Blends für niedrigere Well-to-Wheel CO2 Emissionen in PKW Motoren

Synthetische Kraftstoffe, nachhaltig aus Sonnenergie hergestellt, werden zurzeit vielfältig diskutiert. Bei einer Well-to-Wheel CO2 Bilanzierung (WtW-CO2) ergeben sich hier keine oder nur sehr geringe CO2 Emissionen, da nur das im Herstellungsprozess chemisch gebundene CO2 bei der Nutzung in Verbrennungsmotoren wieder freigesetzt wird.

O. Kastner, G. Avolio, G. Rösel

Schlussbemerkungen

Frontmatter

Schlussbemerkungen

Energie ist für sämtliche Lebens-, Mobilitäts- und Produktionsprozesse erforderlich. Zukünftige Kraftstoffe oder auch zukünftig Energieträger für die Mobilität sind eine unabdingbare Voraussetzung für die Erhaltung des Wohlstands in den Industriestaaten und eine wesentliche Vorbedingung für die Entwicklung der Zweit- und Drittstaaten und die dortige Beseitigung der Armut.

R. Schlögl, G. Wachtmeister, E. Jacob, W. Maus

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