DER DIESEL BRAUCHT BESSERE KRAFTSTOFFE

Schon seit Jahren arbeitet die Industrie in ihren Forschungslabors an

neuen Dieselkraftstoffen, die künftig Kraftstoffe aus Erdöl ersetzen können.

Im Folgenden beleuchten wir die Entwicklung bis heute und geben einen

Überblick über potenzielle Alternativen.

BILD © Volkswagen

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HOHE QUALITÄT WELTWEIT ERFORDERLICH

Bei der Schadstoffreduzierung stößt die Dieseltechnik mit den Grenzwerten der Euro-6-Norm an Barrieren, die der Kraft-stoff errichtet. Dessen Weiterentwick-lung ist dringend notwendig, wenn der Verbrauch künftig sinken soll. In diesem Beitrag geht es ausschließlich um flüs-sige, möglichst preiswerte Kraftstoffe, für die weder die Infrastruktur noch der Umgang für den Autofahrer geändert werden müssen.

Variationen des Erdölkraftstoffs oder der Betrieb mit reinem Pflanzenöl oder FAME (Fettsäuremethylester) sind bekannt. Gegenwärtig wird dem Erdöl-diesel 7 Vol.-% FAME zugesetzt. Es ist zu hoffen, dass die Politik durch die Diskussion „Tank statt Teller“ künftig nicht mehr daran interessiert ist. Minder-wertige Zusätze haben im Kraftstoff nichts zu suchen. Es ist zudem wenig hilfreich, aus vorwiegend ideologischen Gründen immer neue Quellen zu propagieren, die Kraftstoff nur in kleinen Mengen her-stellen können. Zwar ist der Diesel ein „Allesfresser“, doch es ist nicht nachzu-vollziehen, warum die Motoreningenieure auf unterschiedliche Kraftstoffe reagieren sollen. Was wir brauchen ist ein einheit-licher, genormter Kraftstoff mit besseren Eigenschaften als bisher, der überall in Europa – und möglichst auch weltweit – an der Tankstelle zu haben ist. Das setzt großtechnische Anlagen voraus, die für ausreichende Mengen sorgen können. Ohne die Mineralölindustrie geht es nicht,

BTL verbessert die Verbrennung erheblich, das führt zu höherer NOx-Produktion und reduziertem Verbrauch (eigene Messungen nach NEFZ mit einem 1,9-l-TDI-Motor (81 kW) in einem VW Passat, Baujahr 1997)

HC [g/km]

CO [g/km]

NOX [g/km]

PM [g/km]

VERBRAUCH [l/100 km]

Euro 2 mit Twintec PM-Kat Tankstellendiesel

0,0956

0,2890

0,6860

0,0240

5,0530

Euro 2 mit Twintec PM-Kat 100 % BTL

0,0414

0,0863

0,6981

0,0209

4,7960

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die bisher schon einen guten Kraftstoff lieferte und in der Lage wäre, ihn weiter zu verbessern. Die Emissionen weiter zu reduzieren, wird bei gleichbleibender Kraftstoffqualität immer schwieriger. Zudem ist die Dieselqualität außerhalb Europas deutlich bis erheblich schlechter, doch nehmen die Emissionsstandards auch dort stetig zu. Bisher schon hat die Verschärfung der Schadstoffgrenzwerte trotz aller Anstrengungen der Motoren-entwickler für steigenden Verbrauch gesorgt. Nach der Einführung der Euro 6 muss mit weiteren Grenzwertspielereien endlich Schluss sein.

Parallel zum Verkauf normgerechten Kraftstoffs an der Tankstelle bieten einige Mineralölfirmen höherwertigere, teurere Varianten an, die für verbesserte Verbrennung sorgen. Man kann sie als Vorstufe künftiger Kraftstoffe bezeich-nen. Der Weg zu den Kraftstoffen der dritten Generation wird über die Kraft-stoffe der zweiten Generation führen, die bereits erprobt wurden und deren Eigen-schaften bekannt sind. Welche zusätzli-chen Kosten dafür aufzubringen sind, ist derzeit ungewiss. Kann ein zukünftiger Kraftstoff den Verbrauch senken, wird auch ein höherer Preis akzeptiert.

DIE ZWEITE KRAFTSTOFF GENERATION

Ihre Wurzeln reichen sehr weit zurück, nämlich bis ins Jahr 1926, als Franz Fischer und Hans Tropsch ihr Verfahren der Umwandlung fester Grundstoffe in flüssige Produkte vorstellten (FT-Syn-these). Es war ein Konkurrenzverfahren zur Direktverflüssigung der Kohle, die nach Bergius und Pier von der BASF ent-wickelt worden war und ab 1927 in Leuna Praxisreife erlangte.

Die FT-Synthese sieht vor, aus organi-schen Stoffen ein Synthesegas aus Kohlen-monoxid und Wasserstoff (CO+H) zu bil-den, das über Katalysatoren zum Endpro-dukt veredelt wird. Im letzten Kriegsjahr wurden mit dem FT-Verfahren aus Kohle 570.000 t Benzin hergestellt, während durch Direktverflüssigung der Kohle rund 4 Mio. t produziert wurden. Nach dem Krieg wurde die FT-Synthese in großem Stil in Südafrika durch Sasol verwendet, da Südafrika über hochwertige Kohle ver-fügte, die im Tagebau gewonnen wurde.

In Europa gerieten die Verfahren zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe durch wesentlich billigere Erdölprodukte in Vergessenheit – auch in der DDR, in

der „Leuna-Benzin“ noch einige Jahre nach 1945 hergestellt wurde, bis auch hier billigeres Erdöl aus Russland zur Verfügung stand. Erst 1993 wurde das FT-Verfahren durch Shell in Bintulu/Malaysia wieder für die Kraftstoffherstel-lung genutzt. Zunächst wurde Paraffin für Japan aus sonst nicht genutztem Erdgas hergestellt. Das Mitteldestillat aber – Dieselkraftstoff – brachte Shell nach Europa und mischt einen kleinen Anteil davon dem überarbeiteten Erdöl-kraftstoff zu einem Premiumprodukt bei. Als Audi mit dem ersten Dieselrennwagen bei den 24 Stunden von Le Mans antrat, lieferte Shell als Kraftstoff BTL (Biomass to Liquid) von Choren, denn inzwischen war Shell an Choren beteiligt. Heute ent-hält der für Le Mans gelieferte Kraftstoff 35 % GTL (Gas to Liquid) aus der Shell-Anlage in Katar. Die FT-Synthese liefert neben Paraffin und Dieselkraftstoff auch Benzin, das für die Verbrennung im Otto-motor aufbereitet werden muss.

Da Synthesegas aus allen organischen Substanzen hergestellt werden kann, bezeichnet man die Kraftstoffgruppe als XTL. Kohle, Hausmüll (enthält rund 65 % organische Anteile), Biomasse, Erdgas und CO2 eignen sich für die FT-Synthese,

Carbo-V-Verfahren von Choren, nach dem in der kleineren Alpha-Anlage BTL hergestellt wurde – damit wurde die Funktion des Verfahrens bewiesen (Quelle © Choren)

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wobei CO2 als Eingangsstoff besondere Beachtung verdient, denn das steht weit über die für Erdöl, Kohle und Erdgas ver-fügbaren Zeiträume hinaus zur Verfü-gung. Dabei ist die Verarbeitung von Erd-gas und CO2 einfacher und preiswerter als die von Feststoffen, die zunächst getrock-net und vergast werden müssen. Nach Emitec würde 1 l Dieselkraftstoff aus CO2 etwa 70 Euro-Cent kosten. Man sollte

aber auch die Abfälle nicht aus dem Auge verlieren. Für 2011 meldet das Statistische Bundesamt für Deutschland eine Abfall-menge von 387 Mio. t. Wenn sie nur 50 % organische Anteile enthält, ließe sich damit der gesamte Dieselbedarf Deutsch-lands decken.

Die identischen XTL-Kraftstoffe beste-hen wesentlich aus Paraffinen und ent-halten weder Schwefel noch Aromaten. Beide sind Bestandteile des Erdölkraft-stoffs und bereiten den Motorenentwick-lern erhebliche Probleme bei der Abgas-nachbehandlung. Zwar ist der Schwefel-anteil mit nur noch 10 ppm gering, doch reicht das aus, um durch Sulfatbildung nachgeschaltete Katalysatoren zu deakti-vieren. Die dann notwendige Entschwefe-lung kostet Kraftstoff, der den Verbrauch erhöht, zumal für die Entschwefelung mit sehr hohen Temperaturen gearbeitet wer-den muss. Das führt zu der Frage, wie sich XTL/FT- Kraftstoffe von heute üblichem Tankstellenkraftstoff unterscheiden: : Während Erdölkraftstoff aus weit über

3000 unterschiedlichen Molekülen besteht, ist deren Zahl beim FT-Kraft-stoff dramatisch eingeschränkt.

: XTL enthält keine Aromaten, die ent-scheidend für die Partikelbildung ver-antwortlich sind.

: Der Kraftstoff ist frei von Schwefel und Stickstoff.

: Er hat eine sehr hohe Cetanzahl. : XTL ist beliebig mit Erdölkraftstoff

mischbar. Beim Betrieb mit reinem XTL sinken die Schadstoffe in der Rohemission bereits ohne Änderungen an den Motoren erheb-lich, sodass auch ältere Dieselfahrzeuge ohne jede weitere Maßnahme davon pro-fitieren und die Luftbelastung entschei-dend sinkt. Allein dieser Gesichtspunkt ist in politischen Diskussionen sträflich vernachlässigt worden. Durch die verbes-serte Verbrennung steigt zwar der NOx- Ausstoß, der jedoch durch SCR aufgefan-gen werden kann. Zugleich sinkt der Verbrauch nach eigenen Messungen zwi-schen 5 und 10 %. Steigende NOx-Bildung ist immer ein Zeichen für verbesserte Verbrennung.

Werden Motoren für den Betrieb mit XTL konstruiert, ergeben sich neue Gesichtspunkte. So ist damit über einen größeren Kennfeldbereich homogener Betrieb möglich, in dem der Verbrauch um weitere rund 10 % sinkt. Ob der homogene Bereich über das ganze Kenn-feld ausgedehnt werden kann, harrt der

Lösung. In den Forschungsabteilungen wird daran seit vielen Jahren gearbeitet.

Bereits im Jahr 2000 berichtete der Mercedes-Ingenieur Jürgen Willand auf dem 21. Wiener Motorensymposium über Versuche mit homogener Kompressions-zündung bei Diesel- und Ottomotoren. Über die Dieselversuche sagte Willand: „Im Transparentmotor ist in diesem Kennfeldpunkt kein Rußleuchten mehr zu erkennen, das heißt, hier läuft der Prozess in Form einer mageren Vor-mischverbrennung ohne nennenswerte Rußemissionen ab. Der daraus resultie-rende Verlauf der zeitlichen Stickoxidbil-dung zeigt ebenso ein stark verändertes Bild. Die gemessenen NOx-Werte errei-chen weniger als 10 % der konventionel-len Dieselverbrennung und tendieren im Idealfall gegen Null. Zurzeit ist diese Betriebsart nur bei relativ niedriger Drehzahl und Last realisierbar ...“

Die Versuche wurden mit normalem Tankstellenkraftstoff gefahren, später auch – wie bei VW – mit BTL. Damit verbesserte sich die Situation und der homogene Bereich konnte ausgeweitet werden. Bei einem Versuchswagen von VW überdeckte er einen großen Bereich der Teillast. Inzwischen wurde die Diesel-technik erheblich weiterentwickelt. Neue und verbesserte Komponenten kämen auch der homogenen Verbrennung zu-gute. Es ist vorauszusehen, dass der Auf-wand für die Abgasnachbehandlung be-trächtlich sinkt, da Maßnahmen für die Entschwefelung fortfallen und die niedri-geren Emissionen vor allem von Partikeln für längere Reduktionsintervalle sorgen. Da XTL in jedem Verhältnis mit Erdöl-kraftstoff mischbar ist erhält die Mineral-ölindustrie Zeit, entsprechende Verfahren zu entwickeln und Anlagen umzurüsten oder gar neu zu bauen. Der Aufwand dafür ist erheblich und nicht umsonst zu haben.

DIE DRITTE KRAFTSTOFFGENERATION

Da XTL aus Paraffinen unterschied licher Molekülgröße besteht, besitzt es einen Siede bereich zwischen etwa 175 und 330 °C, der dem des Erdölkraftstoffs ähnlich ist. Hinzu kommen seine hohe Cetanzahl und die Freiheit von schädlichen Kom-ponenten wie Schwefel und Aromaten, sodass es für den Dieselmotor geradezu ideal geeignet ist. Aber die Forschung bleibt nicht stehen und überlegt zurzeit,

PROF. DR. ROBERT SCHLÖGL Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI), Berlin, und geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (CEC), Mühlheim an der Ruhr, in seinem Vortrag auf dem 34. Internationalen Wiener Motorensymposium am 25. April 2013.

ZITAT PROF. DR. ROBERT SCHLÖGL

„Sehr schädlich ist der mangelnde Zeithorizont, mit dem Zukunftskonzepte entwickelt und manchmal auch verworfen werden. Die Zeitskalen chemischer Großprozesse sind in Dekaden bemessen und damit zunächst inkompatibel mit denen von Automobilentwicklungen. Ein Dialog beider Disziplinen und Industrien jenseits von Ideologien und heutigem Marktdesign wäre sehr hilfreich, um nicht nur gegenseitiges Verständnis, sondern eine gemeinsame Handlungsplattform zu schaffen.“

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welche anderen Kraftstoffe sich ebenfalls für den Diesel eignen würden. Dabei kon-zentriert man sich gegenwärtig darauf, ei-nen Teil des für die Verbrennung benötig-ten Sauerstoffs in die Kraftstoffmoleküle einzubauen, wie der Chemiker Professor Dr. Robert Schlögl beim 34. Wiener Moto-rensymposium berichtete. Er ist geschäfts-führender Direktor des Max-Planck-Insti-tuts für Chemische Energie konversion in Mülheim an der Ruhr, dem früheren Kai-ser-Wilhelm-Institut für Kohleforschung, in dem Franz Fischer und Hans Tropsch die FT-Synthese entwickelten und später Karl Ziegler und Giulio Natta durch neue katalytische Prozesse die Kunststoffher-stellung revolutionierten. Sie erhielten dafür 1963 den Nobelpreis.

Bei VW liefen seinerzeit Versuche, die Zahl unterschiedlicher Moleküle immer weiter zu reduzieren, bis der Kraftstoff nur noch aus identischen Molekülen besteht (monomolekularer Kraftstoff). Schlögl konzentriert sich darauf, den ganzen Prozess auf der Basis von CO2 aufzubauen, wobei die Herstellung von Wasserstoff in großen Mengen Fragen aufwirft. Hier kommt nur die Elektrolyse infrage, die Wasserstoff für den Prozess liefert und Sauerstoff anstelle Luft für die Kesselheizung eines Kraftwerks, das dann fast reines CO2 liefern würde.

Ursprünglich war der Hochtempera-turreaktor (HTR) dafür gedacht, Pro-zesswärme und Strom für verfahrens-tech nische Großprojekte zu liefern. Die Einstellung der Kernforschung hat nicht nur der Verfahrenstechnik schweren Schaden zugefügt. Die Feststoffverga-sung erführe neue Attraktivität. Hatte Choren aus 100 kg Masse rund 20 kg

Kraftstoff synthetisiert, könnten mit der Hilfe des HTR mindestens 40 kg her-gestellt werden. Ähnliche Verhältnisse finden sich bei der Verarbeitung von Erdöl, weil ein Teil davon für die Pro-zessführung verwendet werden muss.

Um den Energieaufwand der FT-Syn-these zu umgehen, wird eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen, so der biologi-sche Prozess, CO2 und Licht über Mikro-organismen in Dieselkraftstoff zu ver-wandeln, wie ihn Audi verfolgt. Oder der Zucker-zu-Diesel-Prozess. Von Neste wird Pflanzenöl (Palmöl) in Paraffine umgewandelt. Das sind nur drei Beispiele. Sie kranken entweder am zu hohen Flä-chenbedarf oder zu geringen Mengen an Grundstoffen, um Erdöldiesel zu ersetzen, dem sie allenfalls zugesetzt werden kön-nen. Derzeit bietet lediglich die FT-Syn-these von CO2 die Aussicht, Erdöldiesel eines Tages ersetzen zu können.

Christian Bartsch

Die Beta-Anlage von Choren in Freiberg – mit dem Entzug des Kapitals endete der erste ernsthafte Versuch, einen Dieselkraftstoff der zweiten Generation aus Biomasse industriell herzustellen (Bild © Choren)

WAS MEINEN WIR DAZU?

„BEI DER ENTWICKLUNG NEUER KRAFTSTOFFE GEHT ES NICHT UM POLITISCH-IDEOLOGISCHE EINFLÜSSE, DIE NOCH NIE HILFREICH WAREN.“

Im Jahr 2012 wurden in Deutschland 33,3 Mio. t Dieselkraftstoff und 18,7 Mio. t Benzin verbraucht. Diesel wird weiter zulegen, während der Absatz von Benzin sinkt, denn der gesamte Transportsektor sowie zahllose Arbeitsmaschinen sind auf den hocheffizienten Dieselmotor angewiesen. Von den neuzugelassenen Pkw besitzen knapp die Hälfte einen Dieselmotor. Darum sind Versuche, die Verbrennung im Dieselmotor mit neuem Kraftstoff zu verbessern, dringend notwendig.

CHRISTIAN BARTSCH Freier Journalist

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