Kraftstoffqualitätsverbesserung von Biodiesel durch Absenkung der Siedekurve mittels Metathese

Berlin, 03. Mai 2013. Mit dem Ziel einer besseren Motorverträglichkeit, konnte in einem von der Union zur Förderung von Oel- und Proteinpflanzen e.V. (UFOP) geförderten Forschungsverbundvorhaben nachgewiesen werden, dass mittels  Metathese die Qualität von Biodiesel erheblich verbessert werden kann. Unter der Leitung des Thünen Institutes, Braunschweig, wurden nicht nur die Kraftstoff spezifischen Eigenschaften von Biodiesel verändert, sondern ebenfalls erste motortechnische Untersuchungen durchgeführt.

Der Forschungsverbund stellte sich dem Problem, dass reiner Biodiesel in modernen Dieselmotoren mit Partikelfilter nicht ohne Anpassungen des Motors einsetzbar ist, da der Regenerierungsvorgang für den Partikelfilter zu einer Verdünnung des Motorschmieröls durch den Biokraftstoff führen würde. Auch einer Erhöhung des biogenen Anteils im Kraftstoff über die nach der Norm für Dieselkraftstoff zulässigen 7%, stehen die Fahrzeughersteller kritisch gegenüber. Ziel des am Thünen-Institutes in Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie, dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen der Technischen Universität Braunschweig, dem Steinbeis-Transferzentrum Biokraftstoffe und Umweltmesstechnik, Coburg sowie dem Technologietransferzentrum Automotive der Hochschule Coburg durchgeführten Projektvorhabens war die Anpassung des Siedeverhaltens von Biodiesel an fossilen Dieselkraftstoff. Dieses Vorgehen sollte zu einer besseren Verwendbarkeit des Biokraftstoffs in herkömmlichen Dieselmotoren führen.

Die Veränderung von Biodieselmolekülen durch Metathese erwies sich als Designinstrument für die Anpassung der Siedelage eines Kraftstoffs als äußerst wirksam. Aus Rapsölmethylester (RME), der zu großen Teilen aus Öl-, Linol- und Linolensäure besteht, ließ sich durch die Umsetzung an Katalysatoren mit Hilfe der Metathesereaktion und des Einsatzes von 1-Hexen eine Variation der Kettenlänge, die die Siedelinie des erzeugten Kraftstoffs deutlich beeinflusste, erreichen.

Bezüglich der Kraftstoffeigenschaften wurden neben dem Siedeverhalten die Mischbarkeit mit anderen Kraftstoffen und Motoröl und die Materialverträglichkeit mit ausgewählten Polymeren untersucht. Mit Dieselkraftstoff und hydriertem Pflanzenöl (HVO) stellte sich der Metathesekraftstoff als vollständig mischbar dar. Lediglich bei Beimischung von gealtertem RME zeigten sich Trübungen, die jedoch durch den RME begründet sind. Bezüglich der Materialverträglichkeit zeigten sich zwei als biodieselbeständig eingestufte Polymere auch beständig gegen die Metatheseprodukte.

Anschließend erfolgten Untersuchungen der Kraftstoffeigenschaften sowie der Emissionen aus dem Motorbetrieb mit den neu erzeugten Kraftstoffen. Die motorischen Tests beinhalteten sowohl Analysen des Brennverlaufs der unterschiedlichen Kraftstoffe als auch Untersuchungen von Emissionen. Für diese Messungen wurden die Metatheseprodukte als 20%-Blend in Dieselkraftstoff (DK) verwendet. Als Vergleichskraftstoff diente ein entsprechender Blend aus RME und DK (B20). Im Rahmen der Emissionsbewertung wurden neben den limitierten Abgaskomponenten NO_x, PM, HC und CO auch die nicht limitierten Komponenten Ammoniak, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Carbonyle, Mutagenität und die Partikelgrößenverteilung untersucht.

Bei der Messung der limitierten Emissionen ergaben sich zwischen den Metathesekraftstoff-Blends und dem B20-Blend kaum sichtbare Unterschiede. Im Vergleich zum DK zeigten sich für alle Blends leicht erhöhte Stickoxidemissionen, während die CO-, HC- und PM-Werte lediglich geringe Abweichungen aufwiesen. Auch die nicht limitierten Abgaskomponenten führten nur zu geringen Unterschieden zwischen den Kraftstoffblends, die in den meisten Fällen nicht signifikant waren. Bezüglich der Mutagenität wurde deutlich, dass der Einsatz eines SCR-Katalysators zu so geringen Emissionen von mutagenen Stoffen führte, dass im Ames-Test lediglich mit DK noch leichte mutagene Tendenzen in den Emissionen zu messen waren. Hinsichtlich des Verbrennungsverhaltens fanden sich im Rahmen der Genauigkeit der zur Verfügung stehenden Messtechnik keine gravierenden Unterschiede gegenüber den Vergleichskraftstoffen B20 und DK.

Zusammenfassend kommt die Forschergruppe zu dem Ergebnis, dass sich im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen keine Anhaltspunkte finden, die einer Eignung der Metathesekraftstoffe für die motorische Verbrennung entgegenstehen. Die UFOP erwartet, dass auch die Biodieselwirtschaft diese Ergebnisse als Ansatzpunkt für eine weitere Qualitätsentwicklung verfolgt, als Voraussetzung die Akzeptanz und den Mengenanteil von Biodiesel im Markt zu verbessern bzw. zu erhöhen.

Der Forschungsbericht steht hier als Download zur Verfügung.