Wir müssen alle verfügbaren Technologien nutzen, wenn wir die verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen wirklich reduzieren wollen. Während wir uns um die Elektrifizierung bemühen, dürfen wir nicht alle bestehenden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor auf der Straße vergessen, einschließlich all derer, die zwischen jetzt und einem eventuellen Ausstiegsdatum verkauft werden.
Wir dürfen auch nicht die Sektoren vergessen, die schwieriger zu elektrifizieren sind, wie z. B. der Schwerlastverkehr und die Luftfahrt. Im Gegensatz zu Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen bieten nachhaltige Kraftstoffe die Möglichkeit, diese Probleme beim Übergang zu neuen Mobilitätsformen anzugehen.
Bei Coryton haben wir eine Reihe von fortschrittlichen Biokraftstoffen der zweiten Generation entwickelt, die aus landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen werden und der EN228-Spezifikation entsprechen. Bei diesem speziellen Projekt haben wir uns mit Cosworth zusammengetan, um die Einsetzbarkeit verschiedener Biokraftstoffe zu demonstrieren, indem wir die Verbrennungseffekte von EN228-Benzinkraftstoffen mit hohem Bioanteil in zwei verschiedenen Motoren charakterisiert haben.
Die Ergebnisse sollen veranschaulichen, wie diese Kraftstoffe als teilweiser (in Form von Beimischungen) oder direkter Ersatz für fossile Kraftstoffe verwendet werden könnten, um die Treibhausgasemissionen im Straßenverkehr mit minimalen Auswirkungen auf den Verbraucher zu verringern.
Die beteiligten nachhaltigen Brennstoffe und Prozesse
Die in dieser Studie verwendeten nachhaltigen Benzine werden in zwei Hauptstufen hergestellt. In der ersten Stufe wird Bioethanol aus Abfallbiomasse erzeugt, in unserem Fall aus landwirtschaftlichen Abfällen wie Stroh. Zunächst wird diese lignozellulosehaltige Biomasse vorbehandelt, um die Zugänglichkeit der Enzyme zu verbessern. Nach der Vorbehandlung wird die Biomasse durch enzymatische Hydrolyse in Zucker umgewandelt, der dann mit Hilfe verschiedener Mikroorganismen zu Ethanol vergoren wird (Abbildung 1).
Dieses Bio-Ethanol kann dann entweder:
- Direkte Beimischung zu fossilem Benzin in Mischungen von bis zu 5 oder 10% (E5 oder E10), je nach Gebiet
- Weiterverarbeitung zu Biobenzin, um den Bioanteil des endgültigen Kraftstoffs weit über den der reinen Bioethanolmischung hinaus zu erhöhen
Für die Weiterverarbeitung zu Biobenzin wird das Bioethanol zunächst zu Ethylen dehydriert und dann in Gegenwart eines Zeolith-Katalysators bei ~300-400°C zu längerkettigen Kohlenwasserstoffen "gezüchtet". Das rohe Biobenzin muss gemischt werden, um die Spezifikationen der EN228 zu erfüllen.
In dieser Studie wurden 3 verschiedene Biokraftstoffe gemischt, wie in der nachstehenden Tabelle dargestellt.
Wie man sieht, können die unterschiedlichen Anforderungen an die Oktanzahl und den maximalen Ethanolgehalt die Verwendung einiger fossiler Komponenten erfordern, um die Spezifikationen zu erfüllen, aber es ist zu erwarten, dass Bio- oder synthetische Versionen dieser Komponenten verfügbar werden und weitere Verbesserungen bei den Treibhausgaseinsparungen zu erwarten sind.
Die in der Testphase verwendeten Motoren
Für diese Studie wurden zwei Hochleistungsmotoren ausgewählt: ein aufgeladener Motor mit Direkteinspritzung und ein Hochgeschwindigkeits-Saugmotor mit Saugrohreinspritzung.
Beide Motoren wurden mit dem Cosworth-Motormanagementsystem (EMS) betrieben, mit manuell optimierten Steuereinstellungen an jedem Testpunkt.
Die Ergebnisse
Für jeden Kraftstoff und jeden Motor wurde eine Reihe von wichtigen Verbrennungs- und Wirkungsgradmerkmalen gemessen.
Abbildung 4 zeigt, dass die Auswirkungen auf die Flammenzündung, gemessen an der Zeit vom Funken bis zu 5 % verbrannter Masseanteil (MFB) in Kurbelwinkelgraden, vernachlässigbar sind.
Auch die Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch auf der Minikarte sind gering, obwohl es einige kleine Unterschiede gibt (Abbildung 5).
Bei einem BMEP-Betriebspunkt von 2000 U/min und 200 kPa (2 bar) zeigte der aufgeladene DI-Motor, dass die E5-Biokraftstoffe tendenziell etwas schneller verbrannten als der getestete Pumpenkraftstoff (trotz eines vermutlich höheren Aromatengehalts), was möglicherweise durch das Flammensieden des Alkoholgehalts beeinflusst wurde (Abbildung 6). Der E10-Kraftstoff wies ein etwas langsameres Brennverhalten auf, was die Verbrennung näher an den getesteten Pumpenkraftstoff heranbrachte (trotz eines geringeren Aromatengehalts).
Die festgestellten Unterschiede betrugen jedoch nur 1 bis 2° bei einer Brenndauer von 10-90% und liegen innerhalb des Bereichs, der typischerweise bei unterschiedlichen EN228-Kraftstoffen zu beobachten ist, insbesondere unter Berücksichtigung des Alkoholgehalts.
Bei der Hochgeschwindigkeitsanwendung des Motors war das Klopfverhalten unterhalb von 9.500 U/min eher auf MON- als auf ROZ-Werte bezogen, aber oberhalb dieser Drehzahl war der Motor bei keinem der geprüften Kraftstoffe klopfbegrenzt (Abbildung 7). Unter diesen Bedingungen gab es nur sehr geringe Unterschiede im Verbrennungsprofil zwischen den getesteten Kraftstoffen.
Unsere Schlussgedanken
Das Hauptaugenmerk dieser Zusammenarbeit mit Cosworth lag auf der Demonstration der Drop-in-Möglichkeiten für fortschrittliche Biokraftstoffe. Obwohl es einige feine Unterschiede in den Verbrennungseigenschaften zwischen den EN228-Biokraftstoffen und den derzeitigen Kraftstoffen in Pumpenqualität gab, lagen diese innerhalb der Bandbreite der Eigenschaften der verschiedenen Kraftstoffe, die an der Tankstelle erhältlich sind.
Abgesehen von diesen allgemeinen Eigenschaften wurden keine grundlegenden Unterschiede im Motorbetrieb festgestellt, so dass die Ergebnisse darauf hindeuten, dass die treibhausgasarmen EN228-Biokraftstoffe sehr gut als direkter Ersatz für Verbrennungsmotoren verwendet werden können, ohne dass eine Neukalibrierung erforderlich ist.
Jedes der getesteten Biobenzine reduziert die Treibhausgasemissionen erheblich, und diese Einsparungen könnten in Zukunft noch weiter verbessert werden. Das Ethanol-Benzin-Verfahren ermöglicht einen deutlich höheren Bioanteil als bei Bioethanol allein (E5 oder E10). So wäre es beispielsweise durchaus möglich, einen 95-prozentigen E10-Kraftstoff (der in vielen europäischen Ländern bereits als fossiler Kraftstoff an der Zapfsäule erhältlich ist und im Vereinigten Königreich ab September 2021 verfügbar sein wird) mit einem 100 %igen Bioanteil derzweiten Generation anzubieten, wodurch sich die THG-Emissionen auf RED-II-Basis um 90 % verringern ließen.
In der Praxis sind diese Brennstoffe derzeit relativ teuer und nicht in ausreichenden Mengen verfügbar, um sie sofort vollständig und direkt zu ersetzen, und es sind Investitionen erforderlich, um die Prozesseffizienz und Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
Dabei muss es sich jedoch nicht um eine Alles-oder-Nichts-Umstellung handeln. Die Beimischung dieser Biokraftstoffe zu bestehenden Kraftstoffen auf fossiler Basis würde einen geordneten Übergang zur Erhöhung des Anteils nachhaltiger Kraftstoffe in den an der Tankstelle erhältlichen EN228-Kraftstoffen ermöglichen und so die Treibhausgasemissionen des bestehenden Fuhrparks sowie der künftig mit Verbrennungsmotoren verkauften Fahrzeuge verringern.
