Umweltfreundlicher Ersatz für Diesel

Oxymethylenether – Kraft- und Kunststoffe auf Basis von Kohlendioxid und Wasserstoff

Wichtigste bisherige Ergebnisse

Oxymethylenether, kurz OME, sind kettenförmige organische Substanzen. Sie eignen sich zum Beispiel als Ersatz für Dieselkraftstoffe und für die Kunststoffproduktion. Als Kraftstoffe besitzen OME den Vorteil, dass ihre Verbrennung weniger Ruß und Stickoxide freisetzt als herkömmliche Dieselkraftstoffe. Neue verfahrenstechnische Konzepte und Syntheserouten zu OME und die ökologische und techno- sowie sozioökonomische Bewertung der Wertschöpfungsketten stehen im Fokus des Forschungsclusters B3.

Die Umsetzung von Kohlendioxid und Wasserstoff in OME (OME3-5) ist üblicherweise ein fünfstufiges Verfahren. Ausgehend von einem Benchmarking-Prozess wurden als die energieintensivsten Schritte identifiziert:

  • die Umsetzung von Methanol in Formaldehyd
  • die Herstellung des Zwischenproduktes Trioxan aus Formaldehyd
  • die Abtrennung von Wasser, das bei der Bildung von Trioxan entsteht

Entsprechend dieser Analyse lassen sich nachhaltigere Wertschöpfungsketten auf Basis neuartiger Synthesepfade entwickeln. Geeignete Katalysatoren und innovative Trennverfahren dienen dabei als technologische Schlüsselelemente.

Eine alternative Syntheseroute zu OME1 ist die direkte Umwandlung von Kohlendioxid, Wasserstoff und Methanol. Der energieintensive Schritt über die Zwischenstufe Formaldehyd entfällt dabei. Dass die Umsetzung gelingt, wurde im Cluster mit molekularen Katalysatoren auf Basis von Edelmetallen sowie Nichtedelmetallen gezeigt. Zwei Publikationen in hochrangigen internationalen Fachzeitschriften unterstreichen die Bedeutung dieser Route.

Darüber hinaus sind neue Trenn- und Reaktorkonzepte zur Implementierung der Wasserabtrennung in das Prozessdesign unerlässlich. Die geringen Unterschiede in den Siedepunkten von Wasser und OME2 bedeuten dabei eine Herausforderung. Als vielversprechende Ansätze wurden die Wasserabtrennung in einem Membranreaktor sowie die Adsorption von OME aus Wasser an Aktivkohle oder spezielle Polymere identifiziert. Die Polymertechnik wurde zum Patent angemeldet.

Eine umfassende Kraftstoffuntersuchung am Einzylindermotor sowie Simulationen der Verbrennungskinetik und des Einspritzverhaltens zeigten, dass alle OME, egal welcher Kettenlänge, den Schadstoffausstoß gleichermaßen reduzieren. Eine kürzlich veröffentlichte Studie zur Herstellung und Nutzung von OME1 belegte bereits für eine Mischung aus 35 Prozent OME1 und 65 Prozent fossilem Dieselkraftstoff eine Reduktion der Emissionen von Ruß um 75 Prozent und von Stickoxiden um 43 Prozent. Außerdem besitzen die neuartigen Syntheserouten ein deutliches Potenzial zur Senkung der Kohlendioxid-Emissionen. OME3-5 weisen Vorteile gegenüber Dieselkraftstoff und OME1 auf: Verglichen mit reinem Dieselkraftstoff erreicht ein Blend mit OME3-5 erhöhte Werte für den Zylinderdruck, den Kraftstoffumsatz und die Brennrate. Dabei werden bei einem um nur 15 Prozent reduziertem Heizwert 90 Prozent weniger Ruß emittiert.

Geplante Arbeiten

Die Entwicklung von Syntheserouten und Katalysatoren für die OME-Herstellung steht weiter im Fokus des Forschungsclusters B3, um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu steigern. Für aussichtsreiche Pfade werden Lebenszyklusanalysen und Studien zur Marktakzeptanz durchgeführt.

Mit Blick auf einen effizienten, wirtschaftlich sinnvollen Gesamtprozess werden auch die Trennkonzepte und das Reaktordesign weiter ausgearbeitet. Parallel dazu sind Tests mit OME-Kraftstoffen geplant, um die Effekte auf Fahrzeug und Benutzer abzuschätzen. Die Untersuchung von Motorparametern und die Simulation des Einspritzverhaltens verbessern das Verständnis der Verbrennungsprozesse im Motor.

Leitung: Professorin Dr. Regina Palkovits (Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen)

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