Alternative Kraftstoffe für Motoren

Übersichtsartikel zu Verbrenner-Verbotsforderungen

Etliche Interessengruppen, vor allem NGO, drängen Regierungen dazu, Verbrennungsmotoren möglichst einzuschränken oder mittelfristig gar zu verbieten. Die Gründe dafür “werden jedoch häufig nicht ausreichend behandelt oder gerechtfertigt”, schreiben Jorge Martins und Francisco Brito von der portugiesischen Universidade do Minho in einer im August publizierten Untersuchung, die auf einem Artikel in Science Direct vom Juli 2017 zweier Koreaner aufbaut.

Abgase eines Busses in Spanien - Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Abgase eines Busses in Spanien – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Das Problem scheine “weder in den Motoren noch in der Verbrennung selbst” begründet, sondern anscheinend eher im Anstieg der emittierten Treibhausgase, so Martins und Breto. Häufig werde jedoch “nicht zwischen fossilem CO2– und Erneuerbarem CO2-Ausstoß oder gar zwischen CO2-Emissionen und Schadstoffemissionen unterschieden”. Das vorliegende Übersichtspapier diskutiert und stellt verschiedene alternative Kraftstoffe vor, die in Verbrennungsmotoren verbrannt werden können und die den Ausstoß von fossilem CO2 in die Atmosphäre eliminieren oder wesentlich reduzieren würden.

Dieses Übersichtspapier (von 2017) befasst sich mit alternativen Kraftstoffen für die Anwendung in Automobilmotoren sowohl für Fremdzündungs- als auch für Kompressionsmotoren. Es umfasst auch Anwendungen von alternativen Kraftstoffen in fortgeschrittenen Anwendungen der Verbrennungsforschung. Zu den repräsentativen alternativen Kraftstoffen für Fremdzündungsmotoren gehören komprimiertes Erdgas (CNG), Wasserstoff (H2), Flüssiggas (LNG) und alkoholische Kraftstoffe (Methanol und Ethanol), während sie bei Selbstzündungsmotoren Biodiesel, Di-Methylether (DME) und Düsentreibstoff-8 (JP-8) umfassen. Naphtha (Rohbenzin) wird als alternativer Kraftstoff für die fortgeschrittene Verbrennung bei der Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung eingeführt. Die Herstellung, Lagerung und die Lieferkette jedes alternativen Kraftstoffs werden kurz zusammengefasst, gefolgt von Diskussionen über die wichtigsten Forschungsmotive für solche alternativen Kraftstoffe. Es werden Literaturübersichten vorgestellt, welche die relativen Vor- und Nachteile dieser alternativen Kraftstoffe für die Anwendung bei der motorischen Verbrennung untersuchen. Die Inhalte der motorischen Verbrennung bestehen im Wesentlichen aus dem Verbrennungsprozess von der Sprühentwicklung, den Luft-Kraftstoff-Mischungseigenschaften bis hin zum Prozess der Bildung des Endverbrennungsprodukts, der für jeden alternativen Kraftstoff analysiert wird. Es wird ein Überblick über die alternativen Kraftstoffe zusammen mit Zusammenfassungen der motorischen Verbrennungseigenschaften für jeden Kraftstoff gegeben, zusätzlich zu seinem aktuellen Verteilungsstatus und den Zukunftsaussichten.

Abstrakt der Untersuchung vom 06.08.2020 von Martins und Breto:

Der jüngste Trend zur Elektrifizierung des Verkehrs drängt die Regierungen dazu, den zukünftigen Einsatz von Verbrennungsmotoren einzuschränken. Die Gründe für diese starke Einschränkung werden jedoch häufig nicht ausreichend behandelt oder gerechtfertigt. Das Problem scheint weder in den Motoren noch in der Verbrennung selbst zu liegen, sondern scheinbar eher im Anstieg der Treibhausgase (THG), nämlich CO2, die in die Atmosphäre abgegeben werden. Häufig wird jedoch nicht zwischen fossiler CO2– und Erneuerbarer CO2-Produktion oder gar zwischen CO2-Emissionen und Schadstoffemissionen unterschieden. Das vorliegende Revisionspapier diskutiert und stellt verschiedene alternative Kraftstoffe vor, die in Verbrennungsmotoren verbrannt werden können und die den Ausstoss von fossilem CO2 in die Atmosphäre eliminieren oder wesentlich reduzieren würden. Dabei kann es sich um kohlenstofffreie Kraftstoffe wie Wasserstoff oder Ammoniak oder um Biokraftstoffe wie Alkohole, Ether oder Ester, einschließlich synthetischer Kraftstoffe, handeln. Es gibt auch andere Arten von Kraftstoffen, die verwendet werden können, wie z.B. solche auf Terpentin- oder sogar Glyzerinbasis, die ICE als wertvolle Option für den Verkehr erhalten könnten.

Einleitung

Seit Beginn des Industriezeitalters wird bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe der Kohlenstoff in die Atmosphäre emittiert, der vor mehr als 50 Millionen Jahren langsam gebunden und in Form von Kohle, Öl, Erdgas und anderen Arten fossiler Brennstoffquellen wie Schiefergas und Schieferöl gespeichert wurde. Bei der Verbrennung dieser Treibstoffe entsteht neben Schadstoffen auch CO2, das die Sonnenwärme in der Atmosphäre einfängt, was voraussichtlich zur Erwärmung der Erde und zur Verschärfung des Klimas beitragen wird (Treibhauseffekt).

Die Öffentlichkeit und die meisten politischen Entscheidungsträger betrachten Batterie-Elektrofahrzeuge als eine gute Alternative zum Transport mit fossilen Brennstoffen. Was jedoch die mit der Fahrzeugnutzung verbundenen Emissionen betrifft, so sind E-Autos so umweltfreundlich wie der Strom, den sie verbrauchen. In einem Land wie Polen oder Australien, wo der meiste Strom aus Kohle erzeugt wird, erhöht der Betrieb von Elektrofahrzeugen den Beitrag zum Treibhauseffekt im Vergleich zum Betrieb desselben Autos in Norwegen oder Brasilien, wo der meiste Strom aus Erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird. Darüber hinaus muss bei der Bewertung der Nachhaltigkeit von Elektrofahrzeugen der gesamte Lebenszyklus des Fahrzeugs berücksichtigt werden, einschließlich sensibler Aspekte wie der Abbau der in Batterien und Elektromotoren verwendeten Materialien sowie die Lebensdauer der Batterie. Obwohl es sich um ein heißes Thema mit vielen vielversprechenden Entwicklungen handelt, liegt der detaillierte Nachhaltigkeitsvergleich zwischen konventioneller und elektrischer Mobilität außerhalb des Rahmens der vorliegenden Studie und wird nur als Hintergrundwissen behandelt.

Nun schlagen viele Länder, Regionen und Städte ein Verbot so genannter “konventioneller” Fahrzeuge innerhalb der nächsten Jahrzehnte vor. Normalerweise beziehen sich die politischen Entscheidungsträger bei der Verwendung dieses Begriffs auf Autos, Busse oder Lastwagen, die von einem Verbrennungsmotor (internal combustion engine – ICE) angetrieben werden, der einen fossilen Brennstoff verbrennt. Wenn also eine dieser Spezifikationen aus einem Fahrzeug eliminiert wird, wird es nicht mehr “konventionell” sein. Es bleiben drei Arten von Fahrzeugen übrig: elektrisch, hybrid-elektrisch und mit alternativen Kraftstoffen betriebene Fahrzeuge.

Verbrennermotor eines VW-Käfers, Auspuff- Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Verbrennermotor eines VW-Käfers, Auspuff – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Trotzdem werden einige Hinweise präzisiert – auf den künftigen Ausschluss so genannter “umweltschädlicher” Fahrzeuge in Form eines Verbots von Verbrennungsmotoren insgesamt oder in Form eines Verbots von Fahrzeugen, die bestimmte Kraftstoffe wie Diesel oder Benzin verbrennen. Dies ist überraschend, da es mit einer wachsenden Akzeptanz von Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs) einhergeht, die mehrere Dutzend Kilometer fahren können, ohne fossile Brennstoffe zu verbrennen und somit lokal (z.B. in Stadtzentren) keine Umweltverschmutzung verursachen. Aber diese Fahrzeuge sind für einen Teil ihres Betriebs auf ICEs angewiesen, nämlich bei langen Fahrten, sobald die Batterie erschöpft ist. Unter diesen Bedingungen wird der ICE in der Regel mit fossilen Brennstoffen betrieben und produziert daher während des Betriebs eine nicht zu vernachlässigende Menge an Schadstoffen und CO2.

Was die politischen Entscheidungsträger mit den starken Einschränkungen für konventionelle Fahrzeuge wahrscheinlich anstreben, ist daher die Reduzierung des Ausstoßes von fossilem CO2 und die Eliminierung von Schadstoffemissionen innerhalb der Stadtgrenzen, was gemeinsam durch den Einsatz elektrifizierter Fahrzeuge erreicht werden kann. Dies scheint die Richtung zu sein, die die meisten OEMs (Originalausrüstungshersteller) einschlagen. Volvo zum Beispiel hatte geschworen, ab 2019 keine “konventionellen” (nicht elektrifizierten) Fahrzeuge mehr zu entwickeln, sondern nur noch Hybrid- und batterieelektrische. Ab 2020 wurde dieses Versprechen größtenteils erfüllt, obwohl einige von ihnen nur “Mild-Hybride” sind, die einen größeren Startergenerator haben, der eine gewisse Rückgewinnung der Bremsenergie und eine begrenzte Motorunterstützung aufweist. Ähnliche Verpflichtungen können bei anderen OEMs gesehen werden. Dennoch werden die Ankündigungen und vorgeschlagenen Zeitrahmen zur Elektrifizierung oder sogar zum Abbruch der ICE-Entwicklung nicht immer vollständig erfüllt.

Die Reduktion von Treibhausgasen im Transportsektor kann jedoch durch den Einsatz von ICE mit CO2-neutralen Kraftstoffen enorm profitieren. Dies ist besonders wichtig in Sektoren wie dem Schwerlastverkehr und der Luftfahrt, wo die Energiedichte eine wichtige Rolle spielt. In einem kürzlich erschienenen Papier über zukünftige Trends im Verkehr wurde berechnet, dass elektrische Passagierflugzeuge mit der heutigen Batterietechnologie das 14- bis 31-fache ihres maximalen Abfluggewichts in Batterien benötigen würden, um die Energie zu speichern, die sie normalerweise als Düsentreibstoff mit sich führen. Auch die Zeit für das Aufladen der Batterien mit 80-Tesla-Ladegeräten würde einen Tag in Anspruch nehmen, um das Batterieäquivalent eines Airbus 320-Treibstofftanks vollständig aufzuladen. Bei großen Schiffen würden die 170 GWh Energie, die einige dieser Containerschiffe zum Antrieb der Motoren in ihren Tanks mitführen, Batterien erfordern, die mehr als das Fünffache ihres Eigengewichts haben, und es würde Jahre dauern, sie wieder aufzuladen. Diese Schätzungen scheinen zu pessimistisch zu sein, da sie den Unterschied in den Wirkungsgraden zwischen Elektro- und Verbrennungsmotoren nicht berücksichtigen, der die benötigte Energie um die Hälfte reduzieren würde. Sie sind jedoch hoch genug, um zu veranschaulichen, dass eine Elektrifizierung für große Frachtschiffe nicht praktikabel ist, um über sehr lange Distanzen zu reisen, es sei denn, es finden sehr störende Änderungen in der Batterietechnologie statt. Aber Erneuerbare Kraftstoffe und/oder Biokraftstoffe können gute Vorschläge für diese Art des Transports sein…

->Quellen:

  • sciencedirect.com/S1540748916304850
  • Jorge Martins und F. P. Brito: Alternative Fuels for Internal Combustion Engines, in: MDPI Energies, 6. August 2020, mdpi.com/1996-1073/13/16/4086
  • Choongsik Bae, Jaeheun Kim: Alternative fuels for internal combustion engines, in: Proceedings of the Combustion Institute, Volume 36, Issue 3, 2017, Pages 3389-3413, https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.09.009
  • Übersetzt mit DeepL.com