Was sind die technischen Anforderungen an Kraftstoffe?

Was sind Kraftstoffe?

Für die meisten ist Kraftstoff ein Synonym für Benzin und Diesel und wird oft mit fossilen Brennstoffen, Umweltverschmutzung und_{CO2-Emissionen} in Verbindung gebracht. Ein Blick ins Wörterbuch zeigt, dass Kraftstoff als "eine Substanz, die zur Bereitstellung von Wärme verwendet wird" definiert ist. Wir bei Coryton glauben, dass Treibstoff viel mehr ist als das.

Brennstoffe sind nicht nur Wärmeerzeuger

Erstens muss Kraftstoff als Energieträger betrachtet werden. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Energie zu speichern, entweder als potenzielle Energie, kinetische Energie, elektrochemische Energie oder als reine chemische Verbindung. Im Falle flüssiger Brennstoffe wird die Energie durch eine chemische Umwandlung freigesetzt.

Zusätzlich zum Energiegehalt sollte ein Energieträger:

1. Halten Sie Ihr System in gutem Zustand. Es sollte Ihr System nicht beschädigen oder verschlechtern
2. Schadstoffemissionen minimieren
3. Sicher in der Anwendung sein
4. Wertschöpfung aus geschäftlicher Sicht
5. Einhaltung der Rechtsvorschriften
6. Idealerweise Teil einer recycelbaren/nachhaltigen Lieferkette sein, die ihre THG-Emissionen während des gesamten Lebenszyklus minimiert

Je nach Anwendung (Personenkraftwagen, Langstreckenverkehr, Luftfahrt, Schifffahrt usw.) kommt jedem der oben genannten Punkte eine andere Bedeutung zu (Abb. 1). Alle diese Überlegungen entwickeln sich aufgrund externer Faktoren wie Wirtschaft, Politik, technologische Entwicklungen und öffentliche Meinung ständig weiter.

In Abbildung 1 sehen Sie, dass es sich um eine starke Vereinfachung handelt, denn hinter Bezeichnungen wie "Kraftstoffe" oder "Batterien" verbergen sich große Technologiefamilien, die ständig weiterentwickelt werden. So sind beispielsweise die Sicherheitsbedenken bei einer AA-Alkalibatterie und einer NCM-811-Autobatterie unterschiedlich, was hauptsächlich auf die zugrunde liegende Kathodenchemie zurückzuführen ist. Das Gleiche gilt für "Kraftstoffe", je nach Art des Kraftstoffs und, was noch wichtiger ist, nach seiner Herkunft (fossil oder erneuerbar/nachhaltig).

Abgesehen von der individuellen Betrachtung der einzelnen Verkehrssegmente ist es wichtig zu verstehen, dass das Energiesystem weiter gefasst ist als nur der Verkehr; es umfasst auch Branchen wie die Grundstoffindustrie (Stahl- oder Papierherstellung), die allgemeine Fertigung (Autos, Haushaltsgeräte usw.) und sogar die Kommunikations- und Unterhaltungsbranche (E-Mail- und Streaming-Server sind neue Sektoren, die schnell zu großen Energieverbrauchern geworden sind).

Ein weiterer entscheidender Punkt, der oft verschwiegen wird, ist die Tatsache, dass alle diese Segmente miteinander verbunden sind, so dass es äußerst schwierig ist, ihren Beitrag zum Gesamtbild aufgrund von Raffinerieprozessen zu unterdrücken oder gar zu schmälern.

Warum alle Kraftstoffe voneinander abhängig sind

Eines der ersten Dinge, die man verstehen muss, ist, dass Raffinerien, die auf fossilen Brennstoffen basieren, nicht nur Pkw-, Schiffs- oder Flugkraftstoffe herstellen, sondern ein bisschen von allem. In den Anfängen unserer modernen Industrie lag der Schwerpunkt nicht auf Auto- oder Schiffskraftstoffen. Die Kraftstoffindustrie konzentrierte sich auf Öllampen und die Luftfahrt und produzierte "Abfälle": ein Teil war zu "leicht", der andere zu "schwer", um in den damals üblichen Anwendungen eingesetzt zu werden. Erst später wurden diese Abfälle zu Benzin und Diesel für den Straßenverkehr verarbeitet.

Zweitens ist zu beachten, dass es äußerst schwierig ist, das Gleichgewicht der Kraftstoffproduktion zu verändern, da die Produktion stark vom eingesetzten Rohöl abhängt. Es ist naiv zu glauben, dass man einfach einen Weg unterdrücken kann: Die Unterdrückung von Diesel würde es nicht ermöglichen, viel mehr von etwas anderem zu produzieren, sondern würde lediglich zu einer Verschwendung führen, wenn immer noch die gleiche Menge an Rohöl umgewandelt wird.

Bedeutet dies, dass wir dazu verdammt sind, für immer fossile Brennstoffe zu produzieren? Nicht unbedingt! Es liegt an uns (Unternehmen, Ingenieuren, Politikern und auch Nutzern), den Umgang mit diesen Brennstoffen zu optimieren und unsere Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu verringern, indem wir eine Vielzahl von Optionen nutzen und vor allem andere Arten von Brennstoffen entwickeln, die nicht fossilen Ursprungs sind. Hier spielen erneuerbare Brennstoffe eine entscheidende Rolle.

Wir können proaktiv vorgehen und das Problem umkehren: Anstatt nach der Verwendung von Brennstoffen zu suchen, sollten wir uns auf das Energiemanagement konzentrieren. Das Endziel ist die Entwicklung sauberer Wege zur Energieerzeugung mit erneuerbaren Ressourcen (Sonne, Wind, Wasserkraft) und die effiziente Nutzung dieser Energie. Mit der fortschreitenden Elektrifizierung kann ein Teil dieser Energie durch batterieelektrische Antriebssysteme verbraucht werden. In der Zwischenzeit müssen alle bestehenden Motoren (Autos, Lastwagen, Flugzeuge, Boote usw.) in der Lage sein, so sauber wie möglich zu arbeiten und die in Abb. 1 dargestellten Anforderungen zu erfüllen. Aber wie?

Warum ist die Entwicklung sauberer Kraftstoffe so wichtig?

Wir haben keine andere Wahl! Die meisten unserer bestehenden Autos, Lastwagen, Flugzeuge und Boote benötigen spezielle Kraftstoffe für den Antrieb. Was würde die Dekarbonisierung für sie bedeuten? Mehr als 1,4 Milliarden Autos und 25.000 Flugzeuge wegzuwerfen ist nicht der beste Weg in die Zukunft. Erstens haben wir nicht die Kapazität, all diese Fahrzeuge in kurzer Zeit zu demontieren und zu recyceln. Zweitens würde dies Milliarden Tonnen_CO2 verursachen, und es würde viele Jahre dauern, dies zu kompensieren, da neue Fahrzeuge mit neuen Antriebstechnologien eingeführt werden (die ihrerseits nicht völlig treibhausgasneutral sind).

Daher könnte es der ökologischste Ansatz sein, diese Fahrzeuge bis zum Ende ihrer Lebensdauer zu betreiben. Das Durchschnittsalter eines Lastkraftwagens in Europa beträgt 13 Jahre, das eines Frachtschiffs etwa 25 Jahre. Was auch immer Politiker und Medien behaupten, es ist einfach nicht möglich, innerhalb der nächsten 20 Jahre vollständig auf Kraftstoffe zu verzichten, unabhängig von der Elektrifizierung. Das heißt aber nicht, dass wir so weitermachen müssen wie bisher.

Unsere einzige Chance, das Ziel der_{CO2-Reduzierung} zu erreichen, besteht darin, kohlenstoffarme Kraftstoffe zu entwickeln, die mit den bestehenden Motoren kompatibel sind.

Interessanterweise wurden Otto- und Dieselkraftstoffe nicht erfunden, um in bestimmte Motoren zu passen, sondern die Motoren wurden auf die Nutzung der verfügbaren Abfälle aus den Raffinerien zugeschnitten. Erst im Laufe der Zeit wurden die früheren führenden Anwendungen überflüssig, und die Kraftstoffe für den Verkehr setzten sich durch.

Die frühen Motoren verbrannten einfach das, was verfügbar war, und wir kamen sehr schnell zu dem Schluss, dass einige Kraftstoffeigenschaften viel wichtiger waren als andere. So fanden Ingenieure bereits in den 1920er Jahren einen Zusammenhang zwischen der Kraftstoffqualität und dem Klopfen, der Leistung und der Effizienz [Ricardo]. Von diesem Zeitpunkt an gab es viele Wechselwirkungen zwischen den Kraftstoffspezifikationen und den technischen Entwicklungen der Motoren.

Kraftstoff-Spezifikationen

Handelsübliche Kraftstoffe entsprechen nicht einem "einzigartigen Rezept". Die genaue Zusammensetzung der handelsüblichen Kraftstoffe ist nicht bekannt, nicht weil sie nicht angegeben werden kann, sondern weil dieses Wissen nutzlos ist.

Ein Beispiel: Das in Europa verkaufte bleifreie Benzin entspricht nicht einer bestimmten Zusammensetzung, sondern einer Reihe von Spezifikationen, die erfüllt werden müssen. In der EN228-Spezifikation sind Parameter und ein vorgeschriebener Wertebereich für jeden Parameter aufgeführt: Jede Flüssigkeit, die alle Bereiche gleichzeitig erfüllt, ist ein Benzin, unabhängig von seiner Herkunft oder seinem Herstellungsverfahren.

Betrachten wir die Verdampfung als anschaulichen Parameter. Damit Ihr Motor richtig funktioniert, müssen Kraftstoffe verdampfen, d. h. vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen, da nur Gase verbrennen. Eine übermäßige Flüchtigkeit ist jedoch auch nicht erwünscht, da man den Zeitpunkt der Verdampfung des Kraftstoffs kontrollieren möchte.

Wenn Sie in Spanien leben, wo die Sommer sehr heiß sind, möchten Sie, dass der Kraftstoff kurz vor der Verbrennung verdampft und nicht aus dem Kraftstofftank verdunstet. Daher gibt es eine obere Verdunstungsgrenze, die die Art der Moleküle, aus denen Ihr Kraftstoff besteht, einschränkt. Im Winter hingegen ist es in Deutschland schwierig, Kraftstoff zu verdampfen (die Verdampfungsrate hängt von der Temperatur ab), daher wird eine niedrigere Verdampfungsgrenze vorgeschrieben, um sicherzustellen, dass die Autos starten können.

Das lokale Klima unterscheidet sich so stark zwischen der Sommerzeit in Südeuropa und der Winterzeit in Nordeuropa, dass ein einziger Bereich von Verdunstungsgrenzen nicht praktikabel wäre. Dies erklärt, warum in der Norm EN228 je nach Standort und Jahreszeit unterschiedliche Werte für die einzelnen Gebäude angegeben werden. In jedem Land unterscheidet sich Winterbrennstoff von Sommerbrennstoff in Bezug auf die Herstellung und die Sicherstellung der Gebrauchstauglichkeit.

Daraus ist leicht ersichtlich, warum ein Kraftstoff nicht durch seine Zusammensetzung, sondern durch die Eigenschaften, die er erfüllt, definiert wird. Dies gilt unabhängig von der Art des Kraftstoffs (Straßenverkehr, Schifffahrt, Luftfahrt) und den Normen (europäische, chinesische, amerikanische usw.).

Brennstoff-Eigenschaften

Bestehende Autos, Lastwagen, Boote und Flugzeuge wurden nach einem gemeinsamen Verständnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Kraftstoffen entwickelt, die durch Spezifikationen festgelegt sind. Es ist wichtig, dass Kraftstoffe und ihre Verwendung die entsprechenden Motoren nicht beschädigen.

Hier sind einige Beispiele für Eigenschaften, die ein Kraftstoff haben muss:

• Sauberkeit - kennzeichnet die Neigung eines Kraftstoffs, Ablagerungen und "Schlamm" zu bilden (eine Art schlammiger Aspekt). Diese Ablagerungen können sich in den Motoren und Systemen selbst bilden (Einspritzdüsen, Ventile, Kolben usw.), können aber auch mit der Lagerung (Ablagerungen im Tank) oder dem Abbau während der Alterung zusammenhängen.
• Verbrennung - dazu gehören viele Eigenschaften wie die Beständigkeit / Neigung zur Selbstentzündung. Je nach Art der Anwendung (Benzin oder Diesel) suchen Sie nach der Beständigkeit gegen Selbstentzündung (Klopfen bei Benzin) oder nach der Leichtigkeit der Selbstentzündung (Diesel). Je nach Kraftstoff werden diese Eigenschaften als "Oktanzahl" (für Benzin) oder "Cetanzahl" (für Diesel) bezeichnet. Die Verbrennungseigenschaften können sich auch auf die Verbrennungswärme oder die Flammengeschwindigkeit beziehen.
• Flüchtigkeit - der Kraftstoff muss für den Kaltstart ausreichend verdampfen, darf aber aus Gründen der Sicherheit und der Umweltverschmutzung nicht zu stark verdunsten. Eine Kraftstoffwolke verschmutzt die Umwelt und stellt in geschlossenen Räumen eine Gefahr dar.
• Sichere Lagerung und Verwendung - dazu gehören z. B. der "Cold Filter Plugging Point" (Temperatur, bei der sich Kristalle auf Kohlenwasserstoffen bilden, wenn man die Temperatur senkt), der "Flammpunkt" (die niedrigste Temperatur, bei der eine externe Zündung den Dampf eines gelagerten Kraftstoffs entzünden könnte) und die "Leitfähigkeit" (ob sich beim Pumpen eine statische Ladung aufbaut).
• Kompatibilität mit Motorteilen wie Einspritzdüsen, Pumpen usw. - Wenn der Kraftstoff korrosiv ist, zerstört er seine Umgebung (Tank, Pumpe, Leitungen, Motor). Wenn er zu dickflüssig ist (hohe Viskosität) und eine niedrige Dichte oder eine hohe Oberflächenspannung hat, verhindert er, dass die Einspritzdüsen die richtige Menge an Kraftstoff einbringen.
• Toxizität und Gesundheit - einige Verbindungen sind so gesundheitsgefährdend, dass sie in kommerziellen Produkten verboten oder in ihrer Menge begrenzt sind (Benzol, Aromaten usw.).

Trotz eines strengen Regelwerks und einer Reihe von Eigenschaften ist die genaue Zusammensetzung eines handelsüblichen Kraftstoffs innerhalb eines Formulierungsfensters irgendwie flexibel. Diese Eigenschaften sind nicht an einen Rohstoff gebunden und erfordern nicht, dass der Kraftstoff aus Erdöl gewonnen wird. Warum sollten diese Eigenschaften dann nicht mit nachhaltigen Kraftstoffen erreicht werden?

Nachhaltige Kraftstoffe

Kraftstoffe können aus verschiedenen Rohstoffen "hergestellt" werden und gelten als nachhaltig, wenn sie nicht direkt aus Erdöl oder aus Pflanzen gewonnen werden. Im Gegensatz zu Biokraftstoffen der^1. Generation, wie Ethanol und FAME (nicht UCOME), die aus der Landwirtschaft (Weizen, Raps, Soja, Palmöl, Zucker usw.) stammen, stehen nachhaltige Kraftstoffe nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelversorgung.

Stattdessen werden diese Kraftstoffarten als "nachhaltige" Kraftstoffe der^2. Generation oder besser eingestuft . Sie nutzen Energiequellen, die andernfalls in Form von Abfällen (z. B. Weizenspreu) verloren gehen würden oder zumindest nicht leicht zu speichern wären, wenn sie nicht in eine synthetische Flüssigkeit umgewandelt würden. Zu unseren Nachhaltigkeitskriterien gehören auch "E-Fuels", die erneuerbare Elektrizität und Kohlenstoffrückgewinnung nutzen, um eine synthetische Flüssigkeit herzustellen, die ähnlich wie fortschrittliche Biokraftstoffe wie ein herkömmlicher fossiler Kraftstoff verwendet werden kann. Diese Art von Kraftstoffen ist nicht neu, war aber in der Vergangenheit zu komplex und zu teuer, um sie in großem Maßstab zu produzieren, was bedeutet, dass den potenziellen Treibhausgaseinsparungen (80 %), die sie bieten, wenig Aufmerksamkeit geschenkt wurde.

Die Idee der nachhaltigen Kraftstoffe hat viele Vorteile, wie z. B:

• Sie können aus Abfallrohstoffen wie_{CO2-Abscheidung}, Nebenprodukten anderer Industrien, Deponieabfällen, Industrieabfällen, landwirtschaftlichen Abfällen usw. hergestellt werden.
• Sie können als Energiespeicher verwendet werden, wenn die Stromerzeugung die Nachfrage übersteigt (die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien folgt nicht der Nachfrage, so dass es zu einer Überproduktion kommen kann, die durch die Speicherung vermieden wird).
• Sie sind mit bestehenden Motoren kompatibel und können allein oder in Mischung mit fossilen Brennstoffen und Biokraftstoffen verwendet werden.
• Sie benötigen keine Infrastrukturentwicklung für den Vertrieb
• Sie würden die CO2-Emissionen aller bereits vorhandenen Motoren und Fahrzeuge verringern und somit CO2-Emissionen bei der Förderung und Herstellung einsparen.
• Eine fast unendliche Anzahl von Molekülen steht zur Verfügung.

Es gibt noch viel Raum für die Entwicklung nachhaltiger Kraftstoffe in ihren vielfältigen Formen, wie die bereits verfügbaren Biokraftstoffe^{der zweiten} Generation bis hin zu den aufkeimenden Technologien der "E-Fuels".

Wenn Sie mehr über nachhaltige Kraftstoffe und ihre Anwendung im Motorsport, in der Landwirtschaft, in der Luftfahrt, in der Schifffahrt usw. erfahren möchten, nehmen Sie noch heute Kontakt mit uns auf und profitieren Sie von unserer jahrzehntelangen Erfahrung in der Kraftstoffchemie und unserem Anwendungswissen.