Alkoholhaltiger Kraftstoff reduziert Emissionen

Alkohol als Umwelthelfer: Synthetische Kraftstoffe, die mit Alkoholen gestreckt werden, könnten Verbrenner umweltfreundlicher machen. Diese neuartigen Kraftstoffe – beispielsweise aus Biodiesel mit Alkoholanteil – sind in der Herstellung effizienter und senken zudem die Emissionen beim Fahren, wie Tests ergeben haben. Gegenüber gängigem Diesel liegen die Feinstaubemissionen bei weniger als der Hälfte, die CO2-Emissionen sind um bis zu acht Prozent reduziert. Insgesamt ist der CO2-Fußabdruck des alkoholhaltigen Diesels sogar vergleichbar mit dem von Elektrofahrzeugen, wie das Team in „Nature“ berichtet.  

Der Transportsektor verursacht große Mengen an Treibhausgasen und setzt gesundheitsschädlichen Feinstaub frei. Doch während sich Elektroautos als nachhaltige Alternative für den Personennahverkehr eignen, gelten Akkus bei Flugzeugen, Schiffen und auch Lkws im Fernverkehr als weniger gute Lösung: Die Batterien können wegen der noch zu geringen Energiedichte meist nicht genug Leistung erzeugen, um die schweren Vehikel längere Zeit anzutreiben.

Synfuels als Brückentechnologie? 

Als zumindest vorübergehende Alternative müssten diese Verkehrsmittel daher mit Brennstoffzellen oder aber alternativen Kraftstoffen angetrieben werden. Als letztere gelten Treibstoffe, die aus nachwachsenden Rohstoffen produziert werden, wie Biodiesel oder Methanol aus Biogas, aber auch Kraftstoffe, die direkt aus chemischen Vorstufen wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Methanol synthetisiert werden.  

Klassischerweise produziert man diese synthetischen Kraftstoffe entweder durch Methanol-Synthese oder mit der über 100 Jahre alten Fischer-Tropsch(FT)-Synthese. Allerdings steht der flächendeckenden Anwendung der nachhaltigen Synfuels noch einiges im Wege – beispielsweise benötigt die Produktion sehr viel Strom. Ein Grund: Das Herstellungsverfahren ist noch lange nicht so effizient, wie es sein könnte. 

Kombination von FT-Synthese und Hydroformylierung  

Deshalb hat nun ein Forschungsteam um Simon Voelker von der RWTH Aachen untersucht, wie sich die chemische Zusammensetzung von FT-Dieseln optimieren lässt. Die Idee: Wenn man eine klassische FT-Synthese durchführt, entsteht ein Gemisch, das chemisch fossilem Erdöl ähnelt. Dieses synthetische Rohöl enthält eine Mischung aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen, darunter sogenannte Alkane und Olefine. FT-Diesel wird anschließend aus dieser Mischung herausdestilliert und basiert größtenteils auf Alkanen. 

Die im synthetischen „Rohöl“ enthaltenen Olefine können allerdings auch in einem zusätzlichen Prozessschritt, der Hydroformylierung oder Hydrierung, in eine Mischung aus Alkanen und Alkoholen umgewandelt werden. Die Menge an Alkoholen in diesem sogenannten HyFiT-Kraftstoff lässt sich über den Olefinanteil im synthetischen Rohöl steuern und könnte laut den Forschenden die Eigenschaften des FT-Diesels verbessern. „Unser Konzept für die Kraftstoffproduktion zielt darauf ab, eine optimale Alkane-Alkohol-Mischung mit minimalem Energieeinsatz und maximaler Kohlenstoffausbeute zu produzieren“, so Voelker und sein Team. 

Das optimale Alkohol-Alkan-Mischverhältnis 

Das Team testete zunächst, wie sich die Dichte, das Volumen und weitere Eigenschaften des HyFiT-Diesels mit dem Alkoholanteil änderten und ob diese Eigenschaften mit herkömmlichen Motoren kompatibel sind. Anschließend befüllten sie einen Lastkraftwagen mit den verschiedenen Testdieseln und ermittelten dessen CO2-, den Feinstaub-, sowie Stickoxidausstoß bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Fahrsituationen.  

Das Ergebnis: Während sich der HyFT-Diesel mit Alkoholanteilen von 20 bis 40 Prozent gut tanken lässt, wird er bei einem höheren Alkoholgehalt zu dicht, bei einem niedrigeren Gehalt dagegen zu „schmierfähig“. Bei den Fahrtests reduzierten die 20- und 40-prozentigen Kraftstoffe die CO2-Emissionen der LKWs außerdem um drei bis fünf Prozent im Vergleich zu normalem Diesel. Besonders beeindruckend: Die Feinstaub-Emissionen reduzierten sich um 55 Prozent beim 20er-HyFiT-Diesel und um 70 Prozent beim 40er-HyFiT-Diesel, wie das Team ermittelte.  

CO2-Fußabdruck vergleichbar mit Elektroautos 

Doch wie sind die Umweltauswirkungen dieses alkoholhaltigen Synthesediesels bei der Gewinnung, Produktion und Lieferung? „Die zentrale Motivation für synthetische Kraftstoffe ist die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks durch den Transport von der Quelle bis zum Rad bei gleichzeitiger Vermeidung anderer schwerwiegender negativer Umweltauswirkungen“, so Voelker und sein Team. Deshalb verglichen sie die Umweltauswirkungen eines mit hyFiT-Kraftstoff betriebenen Transporters mit denen eines mit fossilem Diesel betriebenen Trucks und einem Elektrotransporter in einer Lebenszyklusanalyse.  

Das Ergebnis: Auf Biomasse basierender HyFiT-Diesel senkt den Gesamt-CO2-Fußabdruck des Kraftstoffs nicht nur unter den von Diesel. Bei Langstreckenfahrten von mehr als 550 Kilometer sinken dessen Umweltauswirkungen sogar unter die eines Elektroautos. Laut den Forschenden könnten Elektroantrieb und HyFiT-Diesel sich so in den jeweils geeigneten Fahrsituationen ergänzen. „Das verdeutlicht das Potenzial der Kraftstoffe als ergänzenden, statt konkurrierenden Ansatz zur Bewältigung der CO2-Reduktion in der Mobilität“, fassen die Forscher zusammen. (Nature, 2024; doi: 10.1038/s41560-024-01581-z) 

Quelle: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen