Bei den reFuels handelt es sich um erneuerbare Kraftstoffe, die über unterschiedliche Wege hergestellt werden können. Wenn diese so gemischt und aufbereitet werden, dass sie die bestehenden Kraftstoffnormen erfüllen, können damit alle verbrennungsmotorischen Anwendungen bedient werden. Zu diesem Ergebnis kommen aktuelle Fahrzeug- und Flottentests im Projekt „reFuels – Kraftstoffe neu denken“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Im Vergleich zu rein fossilen Kraftstoffen ermöglichen die Kraftstoffgemische eine mindestens 25-prozentige CO2-Reduktion. Zusätzlich bieten sie leichte Vorteile bei den Schadstoffemissionen.
„Flüssige Kraftstoffe werden im Mobilitäts-Mix noch länger erforderlich sein, etwa im Bereich des Langstrecken-Schwerlastverkehrs, der Schiff- und Luftfahrt, aber auch in der Bestandsflotte der Pkw. Hier können synthetische Kraftstoffe eine komplementäre Lösungsmöglichkeit zur ‚Defossilisierung‘ des Verkehrs bieten.“
— Dr. Uwe Wagner vom Institut für Kolbenmaschinen
„Dafür müssen sie nachhaltig erzeugt werden können und möglichst schnell verfügbar sein“, sagt Professor Nicolaus Dahmen, in diesem Projekt zuständig für die Bereitstellung der Kraftstoffe. Für alle Arten heute üblicher Kraftstoffe gibt es etablierte und neue Prozesse, die den jeweiligen Kraftstoff liefern. „Die derzeit erprobten Kraftstoffgemische ermöglichen bereits jetzt eine mindestens 25-prozentige CO2-Reduktion im Vergleich zu rein fossilen Kraftstoffen“, so Dahmen. In diesem Projekt konnte dies für einige Beispiele, für die das KIT Technologien betreibt oder – wie im Fall des Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) – eine andere Quelle für die Kraftstoffe gefunden hat, gezeigt werden.
Praxistests zeigen positive Ergebnisse
„Die bisher bei uns untersuchten Kraftstoffgemische halten bestehende Kraftstoffnormen für Benzin- und Dieselkraftstoffe ein. Bei Anwendungstests in Pkw der Bestandsflotte konnten wir keine nachteiligen Eigenschaften feststellen. In einzelnen Fällen zeigten sich hinsichtlich der Schadstoffemissionen sogar leichte Vorteile – sowohl bei den Diesel- als auch den Benzinfahrzeugen“, fasst Wagner die bisherigen Ergebnisse der RDE-Fahrten (Real Driving Emissions) mit kommerziell erhältlichem R33 und am KIT synthetisiertem G40 zusammen. Er und sein Team am IFKM untersuchten bei RDE-Fahrten in Karlsruhe und Umgebung, wie sich reFuels im realen Fahrbetrieb verhalten. Diese Fahrten fanden auf Streckenabschnitten in der Stadt, auf der Landstraße und der Autobahn statt, die aktuellen gesetzlichen Vorgaben zur Zertifizierung von Neufahrzeugen entsprechen. Für die Testfahrten des KIT wurden vier verschiedene Pkw mit einem mobilen Emissionsmessgerät (Portable Emission Measurement System, PEMS) ausgerüstet. Mit diesem Gerät, das auch im europäischen Forschungsprojekt MetroPEMS zum Einsatz kommt, können Stickoxid‑, Partikel- und CO2-Emissionen während der Fahrt gemessen werden. Zudem wurden Flottentests mit sechs Lkw durchgeführt. Diese haben mit dem Kraftstoff C.A.R.E Diesel® aus 100 Prozent kommerziell verfügbarem HVO über 350 000 Kilometer zurückgelegt. „Auch hier zeigten die Ergebnisse keinerlei Probleme in der Anwendung“, sagt Wagner. Für weitere Tests ist eine Ausweitung der Flotte und eine Verlängerung des Dauerlaufs bis 2024 geplant. „Auch Versuche an einem Bahnmotor mit R33 und reinem HVO zeigten dieselben Ergebnisse wie die Straßenversuche“, so der Experte.
Umweltbilanzierung zeigt potenzielle Vorteile
Im Rahmen des ganzheitlichen Projektkonzeptes wurden die regenerativen Kraftstoffe einer Umweltbilanzierung unterzogen. Dazu wurden alle wesentlichen Energie- und Stoffströme im Zusammenhang mit der Bereitstellungs- und Nutzungskette der reFuels und ihrer fossilen Pendants erfasst und ausgewertet. „Die Ergebnisse zeigen, dass die Forschungsinitiative nennenswertes CO₂-Einsparpotenzial besitzen“, sagt Dr. Andreas Patyk vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) des KIT. „Um die Treibhausgas-Reduktionspotenziale der auf Elektrolyse basierenden eFuels auszuschöpfen, muss der Strom zu 100 Prozent regenerativ erzeugt werden.“ Das für die Synthese notwendige CO₂ kann aus der Luft abgeschieden werden oder aus Abgasströmen von beispielsweise Biogas- und Kläranlagen oder auch Zementwerken stammen. „Für die Etablierung der Technologie müssen die PtX-Anlagen mit ausreichend hohen Volllaststundenzahl betrieben werden können“, so Patyk.
Am KIT wurden zunächst mittels unterschiedlicher Prozesse verschiedene Kraftstoffmischungen aus regenerativ synthetisierten Kraftstoffkomponenten und fossilen Kraftstoffen hergestellt. Diese Kraftstoffmischungen erfüllen bestehende Normen. Für Dieselkraftstoffe gilt die Norm EN590, für Ottokraftstoffe die EN228. Diese Kraftstoffmischungen sind drop-in-fähig, das heißt sie können in bestehenden Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. „Damit geben wir uns aber noch nicht zufrieden“, so Dahmen, „denn Ziel der Entwicklung müssen eigenständige Kraftstoffe ganz ohne fossile Anteile sein.“
Für die Herstellung gibt es am KIT zwei Syntheseanlagen: In der bioliq®-Anlage auf dem Campus Nord des KIT wird beispielsweise Stroh verarbeitet, um synthetisches Benzin aus Biomasse der zweiten Generation, sogenannte advanced biofuels, zu produzieren. Anders als bei Biokraftstoffen der ersten Generation konkurriert die Synthese dieser fortschrittlichen Kraftstoffe aus Biomasse nicht mit dem Anbau von Nahrungs- und Futtermitteln auf landwirtschaftlichen Flächen. „Wir müssen die Teller-oder-Tank-Diskussion vermeiden. Deshalb setzen wir auf Rohstoffe, die nicht in diesem Konflikt stehen“, sagt der Projektkoordinator, Dr. Olaf Toedter. Im benachbarten Energy Lab 2.0 des KIT entstehen eFuels aus der Elektrolyse von Wasser mithilfe von regenerativ gewonnenem Strom und CO2. Ziel ist vor allem Kerosin, daneben entstehen auch Diesel- sowie Benzinfraktionen. Das bei der Verbrennung von eFuels entstehende CO2 wird dadurch kompensiert, dass für ihre Herstellung CO2 aus der Umgebungsluft oder aus biogenen Quellen verwendet wird.
Das Projekt
Das Projekt betrachtet seit Januar 2019 Herstellung und Einsatz von erneuerbaren Kraftstoffen ganzheitlich. Solche Kraftstoffe können bestehende Verbrennungsmotoren zukünftig antreiben – in Pkw, Nutz- und Schienenfahrzeugen sowie in Flugzeugen. Sechs Institute des KIT arbeiten gemeinsam mit zahlreichen Partnern aus Energiewirtschaft, Mineralöl‑, Automobil- und Zulieferindustrie unter dem Dach des Strategiedialogs Automobilwirtschaft des Landes Baden-Württemberg an der Bereitstellung und Einführung der Forschungsinitiative. Zwei Pilot- und weitere Technikumsanlagen des KIT lieferten regenerative Kraftstoffe, die aufbereitet, charakterisiert und in Versuchsmotoren getestet wurden. So konnten Syntheseverfahren optimiert werden, um Rohemissionen zu reduzieren.
