C3-Mobility – Ausgewählte Projektergebnisse

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Arbeitspaket A

Arbeitspaket A abgeschlossen: Analyse der Produktion des Ausgangsproduktes Methanol auf Grundlage von Wasserstoff und CO2

Methanol ist die Basis aller im C3-Mobility Projekt untersuchten Kraftstoffe. Ziel des Arbeitspaketes A ist es daher, die Produktion dieses Ausgangstoffes, wie in der oben stehenden Grafik gezeigt, technisch und energetisch zu bewerten. Dazu wurden drei unterschiedliche CO2-Quellen, die Wasserelektrolyse und die Methanolsynthese analysiert, sowie der Gesamtwirkungsgrad und die benötigten Komponenten bestimmt. Die Ergebnisse des Arbeitspaketes A fließen in die Systembewertung und Markteinführungsstrategien in Arbeitspaket E ein und werden dort als Grundlage für die techno-ökonomische Gesamtbewertung aller Kraftstoffe dienen.

Für die Produktion von Methanol wird Wasserstoff, basierend auf regenerativ erzeugtem Strom, und eine nachhaltige CO2-Quelle benötigt. Das abgeschlossene Arbeitspaket A untersuchte daher mögliche CO2-Quellen, unterschiedliche Elektrolysevarianten und die CO2-basierte Synthese von Methanol.

Als mögliche CO2-Quellen wurden Industrieabgase, CO2 aus Biomasse und die direkte CO2-Abtrennung aus der Luft identifiziert, siehe Abbildung 1. Bei Industrieabgasen wurden ausschließlich prozessbedingte CO2-Emissionen berücksichtig, die z.B. bei der Zement- und Stahlproduktion oder der chemischen Industrie entstehen. Bei den biogenen CO2-Quellen wurden Biogaserzeugung, Bioethanol, Müllheizkraftwerke und Kläranlagen untersucht. Die direkte Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre (DAC) ist mithilfe von Ab- und Adsorptionsverfahren möglich, dessen Energiebedarfe und Temperaturniveaus jeweils aufgezeigt wurden.

Abbildung 1: Betrachtete CO2 Quellen im C3-Mobility Projekt

Für die drei CO2-Quellen wurde jeweils die vorhandenen Abscheide-technologien für die technische Bewertung sowie deren jeweilige Energieaufwände als Zielwerte bestimmt. Der Energieaufwand hat dabei Einfluss auf die Gesamteffizienz der Methanolproduktion. Neben klassischen Abtrennungsverfahren, wie der Aminwäsche (MEA) oder der Druckwechselabsorption, wurden auch die Möglichkeiten der Membran-abtrennung und des chilled Ammonia Verfahrens bei Industrieabgasen und biogenen CO2-Quellen untersucht.

Für die Bewertung der Wasserstoffproduktion wurde der aktuelle und zukünftig prognostizierte Entwicklungsstand der drei gängigen Elektrolysevarianten alkalische, PEM- und Hochtemperatur-Elektrolyse abgebildet. Diese unterscheiden sich in den Betriebstemperaturen, Ladungsträgern, Elektrolyten, eingesetzten Katalysatoren und in der technologischen Reife.
Die Methanolsynthese basierend auf H2 und CO2 ist neben der klassischen Produktion aus Synthesegas ein inzwischen ebenfalls kommerziell verfügbares Verfahren. Im letzten Teil des Arbeitspaketes A wurde die Synthese prozesstechnisch analysiert und die benötigten Edukte (H2 und CO2) sowie der Betriebsmittelverbrauch an Strom und Dampf bestimmt. Zusätzlich liefert die Prozessanalyse die Eingangsdaten für die im C3-Mobility Projekt ebenfalls durchgeführte techno-ökomische Analyse aller Kraftstoffe in Form einer detaillierten Komponentenliste für die Produktion von Methanol.
Mit den Ergebnissen des Arbeitspaketes A konnte das in Abbildung 2 gezeigte Kennfeld für den Power-to-Fuel (PtF) Wirkungsgrad der Methanolsynthese aufgestellt werden. Dieser PtF-Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis aus der im synthetischen Kraftstoff gebundenen Energie zu den energetischen Aufwendungen seiner Produktion, also die Herstellung des Wasserstoffs (Elektrolyse), die Bereitstellung des benötigten Kohlenstoffdioxids, und weitere Betriebsmittelverbräuche wie Elektrizität oder Dampf. Die Ergebnisse in Abbildung 2 zeigen, dass sowohl die Elektrolyseart, als auch die CO2-Quelle einen maßgeblichen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad der Methanolsynthese aufweisen. Heute können bereits PtF-Wirkungsgrade von 50-60 % mit etablierten CO2-Abtrennungsverfahren wie die MEA-Aminwäsche und am Markt verfügbaren Elektrolyseuren (AEL/PEM) erreicht werden. Mit einer prognostizierten Entwicklung in der Elektrolyse aufgrund steigender Nachfrage sind zukünftig auch PtF- Wirkungsgrade von über 60 % möglich.

Abbildung 2: Zusammenfassung der Ergebnisse des Arbeitspaketes A

Im Arbeitspaket involvierte Partner:
Forschungszentrum Jülich, RWE, CAC, bse engineering

Arbeitspaket B3

15.400 Liter synthetisches Benzin aus grünem Methanol erzeugt

In der für C3-Mobility umgerüsteten Benzinsyntheseanlage an der TU Bergakademie Freiberg wird hochoktaniger Otto-Kraftstoff aus grünem Methanol erzeugt. Für die Projektpartner konnten bereits rund 15.400 Liter bereitgestellt werden.

Bei der Erarbeitung und Demonstration neuer Wege in die CO2neutrale Mobilität der Zukunft stehen im Verbundforschungsvorhaben C3-Mobility die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung moderner Kraftstoffe und Blendkomponenten im Mittelpunkt.für Ottokraftstoffe erscheint hierbei die Nutzung von regenerativ erzeugtem Benzin auf der Basis von Methanol als besonders vorteilhaft.

Um vielfältige Untersuchungen zu Kraftstoffeigenschaften und Materialverträglichkeiten, Tests in motorischen Anwendungen und Erprobung in Otto- und Flex-Fuel-PKW zu ermöglichen, benötigt das C3-Mobility- Konsortium ausreichende Mengen synthetischen Benzins. Hierzu führen die beiden Professuren Reaktionstechnik (RT) sowie Energieverfahrenstechnik und thermische Rückstandsbehandlung (EVT) der TU Bergakademie Freiberg ihr gemeinsames Teilprojekt, das ein Volumen von 3,3 Mio.€ umfasst und vollständig vom BMWi gefördert wird, durch. Die Professur RT arbeitet dabei an der Entwicklung fortschrittlicher Katalysatoren für die Benzinsynthese, was kinetische Untersuchungen, Modellerstellung und Langzeittests beinhaltet. Auch der Projektpartner Chemieanlagenbau Chemnitz GmbH (CAC) führt Katalysatortests durch und steht im engen Austausch mit der Professur RT.

An der Professur EVT wird seit 2010 eine auf CAC- Technologie basierende Bezinsynthese-Großversuchsanlage betrieben. Um sie für mehrwöchige Versuchskampagnen zur Erzeugung hochoktanigen Benzins konstanter Qualität zu ertüchtigen, wurde sie auf ein neues Reaktorkonzept umgerüstet. Dieses ist Bestandteil der aktuellen Methanol-to-Fuel-Technologie von CAC, mit der zukünftig synthetisches Benzin aus Methanol auch in industriellem Maßstab hergestellt werden soll.

Abbildung 1: Montage neuer Benzinsynthesereaktor (Mai 2019)

In der einjährigen Vorbereitungsphase nach Projektbeginn wurde durch CAC das neue Reaktorkonzept geplant und realisiert. Seitens der kooperierenden Professur EVT wurden Genehmigungsverfahren und TÜV-Prüfungen abgewickelt, notwendige Instandsetzungs- und Inbetriebnahme- vorbereitende Arbeiten ausgeführt und, Rohstofflieferungen und Produktlogistik geklärt und die versuchsbegleitende Produktanalytik vorbereitet.

Anfang Oktober 2019 startete die erste Benzinproduktionsphase in der Benzinsynthese-Großversuchsanlage der EVT. Besonderes Augenmerk lag auf der Bestimmung der Benzinzusammensetzung (detaillierte Kohlenwasserstoff-Analyse), die zeitnah in die Regelung und Optimierung der Prozessparameter einfloss. Im Ergebnis der vierwöchigen Versuchskampagne wurden insgesamt rund 15.400 Liter hochoktaniges Benzin aus „grünem Methanol“ (Biomethanol, zertifiziert nach ISCC-EU) hergestellt. Besondere Qualitätsmerkmale sind die geringen Anteile aromatischer Verbindungen über C9, insbesondere der geringe Durol-Gehalt, sowie eine hohe Oxidationsstabilität. Damit stand dem C3-Mobility- Konsortium eine erste repräsentative Kraftstoffmenge zur Kraftstoffcharakterisierung und -Erprobung zur Verfügung.

Abbildung 2: Durch Projektpartner Shell bereitgestellte Stahlbehälter (IBC) zur Benzinabfüllung

Abbildung 3: Benzinprobe

Derzeit wird an der Professur EVT die zweite Benzinproduktionsphase vorbereitet. Basierend auf den Betriebserfahrungen der ersten Versuchskampagne werden Syntheseverfahren und Versuchsergebnisse anhand stofflicher und ökonomischer
Kennziffern umfassend bewertet sowie Anforderungen der C3-Mobility-Projektpartner an die Produktqualität der zweiten Charge in die Versuchsplanung eingearbeitet. Dementsprechend wurde gemeinsam mit CAC ein anderer Katalysator ausgewählt.
Dieser wird gegenwärtig bei CAC nochmals getestet, um die Einstellwerte für den Syntheseprozess bis zum Beginn der Versuchsfahrt final abzustimmen.
Ab August sollen weitere 15 bis 25 Kubikmeter „grünes“ Benzin optimierter Qualität in der Benzinsynthese-Großversuchsanlage der EVT produziert und den Projektpartnern für ihre Untersuchungen bereitgestellt werden.

Fotos: Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen der TU Bergakademie Freiberg

Arbeitspaket C2

Wirkungsgradsteigerung und Emissionsreduzierung am Ottomotor mittels synthetischer Kraftstoffe

Erfreuliche Ergebnisse kommen aus Arbeitspaket C2. Unter der Leitung des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen wurden zehn Ottomischkraftstoffe mit Methanol, Ethanol, iso-Butanol und 2-Butanol sowie Methanol als Reinkomponente in Hinblick auf ihre Eignung für den Einsatz in Pkw-Ottomotoren untersucht.

Als Grundkraftstoff für die thermodynamischen Untersuchungen an einem Einzylinder-Forschungsmotor mit Direkteinspritzung diente ein sauerstofffreies Benzin mit einer Research-Oktanzahl (ROZ) von 94. Die Alkohol-Reinkomponenten wurden diesem Grundkraftstoff in Anteilen zwischen 3% und 40% (v/v) beigemischt. Insgesamt wurden so zehn Kraftstoffmischungen mit unterschiedlichen Eigenschaften festgelegt. Die einzelnen Merkmale sind auf Abbildung 1 zu sehen.

Die definierten Gemische sowie reines Methanol und der Referenzkraftstoff sollten dann in Bezug auf Effizienz und Emissionen betrachtet werden. Die grundlegenden Untersuchungen umfassten den stöchiometrischen Teil- und Volllastbetrieb, Ladungsverdünnung mittels Abgasrückführung (AGR) und Luftüberschuss sowie Katalysatorheizen und Ölverdünnung.

Insgesamt sind die Ergebnisse sehr vielversprechend: So konnte mit reinem Methanol große Potenziale zur Steigerung des Wirkungsgrades und der Reduzierung der NOx-Emissionen bescheinigt werden. Bei gleichem Verdichtungsverhältnis konnte mit Methanol im Vergleich zum Referenzkraftstoff ROZ98 ein um 23,5% höherer Wirkungsgrad erreicht werden. Bei den Kraftstoffmischungen lag die Wirkungsgradsteigerung bei 12,6%. Durch die Kombination einer hohen Verdampfungsenthalpie mit einer hohen laminaren Flammgeschwindigkeit ermöglicht Methanol bei hohen Lasten und Kaltstartbedingungen eine Klopffestigkeit und eine hohe Verbrennungsstabilität.

Im Vergleich dazu wiesen die Mischungen mit Butanol und Ethanol einen höheren Heizwert auf, waren dafür aber weniger klopffest. Die höhere Siedetemperatur löste zudem einen Anstieg der HC-Emissionen unter Kaltstartbedingungen aus. Hinsichtlich der AGR-Verträglichkeit und Magerverbrennung sind weitere Wirkungsgradvorteile und eine Emissionsreduktion mit den Kraftstoffmischungen und Reinkomponenten zu erwarten.

Titelbild: FEV Europe GmbH, restliches Bildmaterial: vka

Weitere Informationen

Christian Wouters
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Ottomotoren Thermodynamik
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA
RWTH Aachen University
E-Mail: wouters@vka.rwth-aachen.de