Entwicklung von Methanol-Kraftstoff

Technische Grundlagen für die Normung geschaffen

Hardware-in-the-Loop Prüfstand mit einem Niederdruck-Einspritzsystem für Ottomotoren. (Bildquelle: TEC4FUELS)

Ein Forschungskonsortium unter der Leitung von FEV, einem weltweit führenden Entwicklungsdienstleister, hat umfassende technischen Grundlagen für die Verwendung von Methanol-Kraftstoff in Europa erarbeitet. Das Forschungsprojekt mit dem Namen „Methanolstandard“ legte den Fokus auf Untersuchungen, die für die Normung von Methanol als Kraftstoff relevant sind, und lieferte wichtige Erkenntnisse. Das Konsortium untersuchte die Kompatibilität von Methanol mit bestehender Technik und Kraftstoffnormen und identifizierte potenzielle Bereiche für weitere Forschung- und Entwicklungsaktivitäten.

Methanol ist ein möglicher alternativer Kraftstoff, der ein hohes CO2-Reduktionspotenzial hat, sofern er aus regenerativen Energien wie Solar- und Windenergie in Kombination mit CO2 aus geschlossenen Kohlenstoffkreisläufen über PtX Verfahren hergestellt wird. Allerdings weichen die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Methanol teils deutlich von Diesel- und Ottokraftstoffen ab, sodass eine Erfüllung der bestehenden Kraftstoffnormen nicht möglich ist. Damit Methanol dennoch eine Chance auf eine Markteinführung bekommt, wird in Deutschland an einer DIN-Norm für Methanol gearbeitet mit der Perspektive, dass diese später auch für eine europäische Methanol-Norm als Grundlage dient. Das Ziel dieser Norm ist, die Betriebssicherheit der Anwendungstechnik zu gewährleisten und die Qualität des Methanols zu garantieren.

Nationale Normen für die Verwendung von 85 % und 100% Methanol als Kraftstoff existieren in China bereits seit 2009 und ermöglichen erfolgreich den großflächigen Einsatz von Methanol im Straßenverkehr.

Geringere Schadstoffemissionen durch Methanol-Kraftstoff

Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Eigenschaften von Methanolbeimischungen von 15 % zu mineralölbasiertem Kraftstoff (M15) und reinem Methanol als Kraftstoff (M100) im Vergleich zu einem EU6 Referenzkraftstoff. Die Forschungspartner, darunter die TEC4FUELS GmbH und die OWI Science for Fuels gGmbH, nahmen verschiedene Aspekte unter die Lupe, wie beispielsweise die Optimierung ottomotorischer Verbrennungskonzepte sowie Fragen zur Materialkompatibilität, Additivierung und Lagerstabilität. Zusätzlich wurden Fragen zur Methanol-Produktion, Toxizität und Sichtbarkeit der Flamme untersucht, um die Sicherheit des Kraftstoffs zu gewährleisten. Darüber hinaus wurde ein M15-Gemisch in einem Serienmotor als Möglichkeit zur Dekarbonisierung des Straßenverkehrs untersucht.

Methanol lässt sich direkt als Kraftstoff einsetzen oder mit mineralölbasierten Kraftstoffen zu sogenannten „Blends“ vermischen. Diese Kraftstoff-Blends können, als sogenannte Drop-in-Kraftstoffe, bereits in konventionellen oder modifizierten Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, die technischen Grundlagen der bereits etablierten Verbrennungsmotoren zu nutzen und zeitgleich fossile Kraftstoffe schrittweise zu substituieren. Darüber hinaus sind die Abgase der Methanol-Verbrennung im Vergleich zu Benzin oder Diesel nahezu frei von Rußemissionen und Schwefeloxiden und enthalten weiterhin einen deutlich geringeren Anteil an umweltschädlichen Stickoxiden.

Hoher motorischer Wirkungsgrad
Obwohl die herkömmlichen fossilen Flüssig-Kohlenwasserstoffe eine doppelt so hohe volumetrische Energiedichte wie Methanol besitzen, können mit Methanol-Motoren wegen dessen höherer Oktanzahl von 109 größere Verdichtungsverhältnisse genutzt und daher im Allgemeinen ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden. Dadurch lässt sich eine entsprechend dem Energiegehalt geringere Reichweite einer Tankfüllung mit Methanol teilweise wieder kompensieren.

Die Ergebnisse der Forschung zeigten unter anderem, dass Methanol mit bestehender Technik teilweise kompatibel ist und bestimmte Anforderungen erfüllt. Aus den Hardware-in-the-Loop-Tests von Tec4Fuels geht hervor, dass dieselmotorische Common-Rail-Systeme und Hochdruckpumpen nur eingeschränkt mit Methanol funktionierten und teilweise ausfielen. Die erhöhte Neigung von Metallen wie Aluminium und Kupfer zur Korrosion im Kontakt mit Methanol und die verringerte Schmierfähigkeit von Methanol sind zwei Aspekte, für die im Projekt unter Mitwirkung von OWI untersucht wurden. Nur ein noch nicht im Handel erhältliches Additiv zur Beimischung in den Kraftstoff konnte bei niedrigen Methanolkonzentrationen in Benzin (M15) die Korrosion vermeiden und die Schmierfähigkeit verbessern. Die Kompatibilität bleibt für die Additiv- und die Materialentwicklung eine Herausforderung, die sich sowohl bei den Metallen als auch den Kunststoffen (z.B. Dichtungen, Tankbaumaterial) stellt. Das gilt auch für die Tankstellentechnik, deren Tanks, Pumpen, Leitungen und Zapfpistolen methanolfähig sein müssen. Trotz der noch bestehenden technischen Herausforderungen sehen die Forschenden Methanol als eine vielversprechende Option für den Transportsektor.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchung der technischen Grundlagen zur Standardisierung von Methanolkraftstoffen in Europa“ wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz unter dem Förderkennzeichen 19I20005A-I gefördert.

Die OWI Science for Fuels gGmbH ist eine unabhängige und gemeinnützige Forschungseinrichtung. In Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung forscht und entwickelt OWI Konzepte und Technologien auf den Gebieten der energieeffizienten Nutzung flüssiger konventioneller und alternativer Brenn- und Kraftstoffe sowie innovativer Effizienztechnologien. Das Ziel sind technisch ausgereifte, treibhausgas- und emissionsarme Lösungen für die Wärmeerzeugung und Mobilität von Morgen. OWI ist ein An-Institut der RWTH Aachen und versteht sich als Mittler zwischen Grundlagenforschung und Anwendung. Im Rahmen des Technologietransfers bearbeitet OWI sowohl aus öffentlichen Fördermitteln finanzierte Projekte als auch industrielle Forschungsaufträge. Zu den Kunden gehören beispielsweise Hersteller von Haushaltsheizungen, Unternehmen der Automobilzulieferindustrie, der Mineralölwirtschaft und der Thermoprozesstechnik.

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