Motor für
synthetische Kraftstoffe

TEXT Kristina Simons
Wissenschaftler der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern erforschen und entwickeln derzeit ein sogenanntes Dual-Fuel-Brennverfahren für die optimale und hocheffiziente Nutzung synthetischer Kraftstoffe. Vor allem Nutzfahrzeuge können auf diese Weise emissionsfrei werden.

ynthetische Kraftstoffe, die auf Basis erneuerbarer Energien produziert werden, leisten einen wichtigen Beitrag zur Verkehrswende. Sie verbrennen nicht nur emissionsfrei, sondern besitzen auch eine hohe Energiedichte, konzentrieren also viel Energie auf wenig Raum. Dadurch lassen sie sich selbst über lange Distanzen kostengünstig transportieren. Weiterer Pluspunkt: Mit ihnen lässt sich sogar die vorhandene Infrastruktur nutzen, also Pipelines und Tankstellen für Benzin, Diesel, Kerosin sowie Erdgas. Darüber hinaus lassen sie sich problemlos über Monate speichern und können damit zum Ausgleich des fluktuierenden Stromangebots von Wind- und Sonnenenergie beitragen.

Die Kombi macht’s
Wie sich synthetische Kraftstoffe für einen schadstoffneutralen und hocheffizienten Fahrzeugantrieb optimal nutzen lassen, erforschen Wissenschaftler der TU Kaiserslautern um Professor Michael Günthner vom Lehrstuhl für Antriebe in der Fahrzeugtechnik. Dafür arbeiten sie an der Entwicklung eines Zwei-Kraftstoff-Brennverfahrens für zwei verschiedene CO₂-neutrale synthetische Kraftstoffe: für gasförmiges synthetisches Methan sowie für flüssigen Oxymethy­lenether (OME). Die kombinierte Anwendung beider Kraftstoffe erhöht den Wirkungsgrad und verringert damit den Kraftstoffverbrauch. Synthetisches Methan ersetzt zum Beispiel schon jetzt das Erdgas in Dual-Fuel-Motoren für Erdgas und Diesel in Lkw von Volvo. Hier verbessert es zwar den Wirkungsgrad, macht den Motor aber nicht emissionsfrei. Und da kommt OME ins Spiel: „OME kann Dieselkraftstoff direkt ersetzen und ermöglicht dann einen partikelfreien Betrieb von Dieselmotoren“, erläutert Günthner. „Der Betrieb mit reinem OME erfordert aber umfangreiche Anpassungen der Motorauslegung sowie ungefähr doppelt so große Tanks, denn der Heizwert von OME ist nur etwa halb so hoch wie der von Diesel.“ Darüber hinaus sei OME voraussichtlich bis auf Weiteres nur in begrenzter Menge verfügbar.
Deshalb die Kombination beider Kraftstoffe: „Unser Brennverfahren soll die Vorteile des hohen Wirkungsgrads eines mageren Dual-Fuel-Brennverfahrens mit denen der partikelfreien Verbrennung von Methan und OME verbinden“, sagt Günthner. „Es geht uns darum, aus den verfügbaren synthetischen Kraftstoffen den größtmöglichen Benefit hinsichtlich Effizienz und Emissionen herauszuholen.“ Da zum Zünden im Dual-Fuel-Verfahren voraussichtlich geringste Mengen OME ausreichen würden, sei dessen begrenzte Verfügbarkeit nicht so problematisch. Der Hauptkraftstoff synthetisches Methan sei deutlich einfacher herzustellen als OME und sehr wahrscheinlich stehe es in ausreichender Menge zur Verfügung. Als Übergangsszenario sei (ohne Modifikationen am Motor) sonst auch die Verwendung von Erdgas oder Biogas anstelle von synthetischem Methan vorstellbar. Günthner: „Dann wäre die Verbrennung vergleichbar sauber wie mit synthetischem Methan, allerdings nicht beziehungsweise nicht vollständig CO₂-neutral.“
Vorhandene Technik umrüsten
In ihrem Forschungsprojekt testen die Wissenschaftler das Dual-Fuel-Brennverfahren an Nutzfahrzeugen. „Wir rüsten einen serienmäßigen Dieselmotor von John Deere auf das neue Konzept um“, sagt Michael Günthner. Prinzipiell werde sich das Verfahren aber auch für den Schwerlastverkehr eignen. Und ebenso für Pkw. „Das Brennverfahren wird grundsätzlich skalierbar sein, und das sogar wesentlich besser als bei konventionellen dieselmotorischen Brennverfahren, die sich zwischen Pkw- und Nutzfahrzeugmotoren deutlich unterscheiden.“ Diese Unterschiede lägen beim Dieselmotor hauptsächlich an der Motor- beziehungsweise der Brennraumgröße. Beim neuen Verfahren spiele diese für den Prozessablauf keine so große Rolle. „Pkw-Antriebe unterliegen allerdings einem höheren Kostendruck bei den
Herstellkosten und somit dem Kaufpreis, während bei Nutzfahrzeugantrieben eher die Gesamtbetriebskosten entscheidend sind.“ Deshalb und aufgrund der kleineren Stückzahlen eigne sich das Dual-Fuel-Brennverfahren zunächst eher für Nutzfahrzeuge. „Pkws könnten aber nachziehen, zumal Langstreckenfahrzeuge auch in Zukunft mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Verbrennungsmotor im – voraussichtlich hybriden – Antriebssystem haben werden.“
Das Forschungsvorhaben ist auf zwei Jahre angelegt. Im Idealfall könnte danach der Entwicklungsprozess bei einem Industrieunternehmen anlaufen. Übliche Entwicklungszeiten bis zu einem Serieneinsatz lägen bei rund fünf Jahren, weiß Günthner. „In jedem Fall könnte das Verfahren noch vor 2030 in den Markt kommen.“ Das Land Rheinland-Pfalz fördert das Projekt mit 125.000 Euro, der Commercial Vehicle Cluster (CVC) Südwest kofinanziert es. 
„In jedem Fall könnte das Verfahren noch vor
2030 in den Markt kommen.“

Professor Michael Günthner,
Lehrstuhl für Antriebe in der Fahrzeugtechnik
der TU Kaiserslautern