Ein Motor gemacht für erneuerbare Treibstoffe
Drei Forscherteams von ETH Zürich und Empa erforschten in einem interdisziplinären Projekt, wie Verbrennungsmotoren für erneuerbare, CO2-neutrale Treibstoffe fit gemacht werden können. Ergänzend zur Elektromobilität können auch Treibstoffe aus biogenen Quellen ('Biotreibstoffe') oder mit regenerativem Strom synthetisch erzeugte 'e-fuels' einen Beitrag zu einer nachhaltigen Mobilität leisten.
Wegen der Konkurrenzierung der Nahrungsmittelproduktion lehnen die Gegner Biotreibstoffe strikt ab. Die Befürworter dagegen sehen ihn ihnen einen wichtigen Ansatz zum Ersatz fossiler Treibstoffe und als Schritt hin zu einer CO2-neutralen Mobilität. Die Befürworter machen geltend, Biotreibstoffe liessen sich auch ohne Verwendung von Nahrungspflanzen herstellen. Das ist unter anderem der Fall, wenn Klärschlamm oder landwirtschaftliche Abfälle zu Biogas fermentiert und dann zu Biomethan veredelt werden. Oder wenn man einen synthetischen Treibstoff wie OME einsetzt, den man – zum Beispiel – aus CO2, Wasser und erneuerbarem Strom herstellen kann, oder regenerativ erzeugtes Methan. Mit solchen Treibstoffen, so die Hoffnung der Befürworter, könnte die Vision eines CO2-neutralen Verbrennungsmotors Realität werden.
Lockere Zusammenarbeit von drei Forschungsinstituten
Vor diesem Hintergrund führten Wissenschaftler der ETH Zürich und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Dübendorf (ZH) von 2014 bis 2018 das Projekt NextICE durch. Sein Fokus lag auf der Frage, wie ein künftiger Verbrennungsmotor (engl. Internal Combustion Engine/ICE) aussehen muss, der für den Betrieb mit erneuerbaren Treibstoffen ausgelegt ist. „Verbrennungsmotoren sind bisher für fossile Kraftstoffe wie Benzin und Diesel optimiert worden. Wenn wir sie künftig mit erneuerbaren Treibstoffen betreiben wollen, müssen wir den Verbrennungsmotor neu konzipieren – das betrifft die eingesetzten Brennverfahren und Regelungstechniken, aber auch die mechanische Konstruktion des Motors“, sagt Prof. Christopher Onder, ETH-Professor und Leiter des NextICE-Projekts.
Damit benennt Onder die drei zentralen Fragestellungen, die im Rahmen des Projekts jeweils von einem Forscherteam bearbeitet wurden: Den neuen Brennverfahren widmete sich das ETH-Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme (LAV/Prof. Konstantinos Boulouchos), um die Regelungstechnik das ETH-Institut für dynamische Systeme und Regelungstechnik (IDSC/Prof. Christopher Onder), während die Empa-Abteilung Fahrzeugantriebssysteme (Christian Bach) Fragen der Motorkonstruktion bearbeitete. Die drei Partner bearbeiteten in den drei Teilprojekten je eigene Fragestellungen, stellten dabei aber immer wieder wichtige Querbezüge her. „Diese lockere Zusammenarbeit war sehr hilfreich und hat uns weitergebracht“, sagt Christopher Onder.
OME-Motor ermöglicht kompakten Kat
Die LAV-Forscher befassten sich in ihrem Teilprojekt mit der Verbrennung von OME in einer isolierten Brennkammer sowie einem speziellen Einzylinder-Versuchsdieselmotor. Für ihre Studie nutzten sie als Treibstoff reines sowie auch mit Dieselkraftstoff gemischtes OME. Ein zentrales Ergebnis: Bei der Verbrennung von reinem OME entsteht praktisch kein Russ. Der grosse Vorteil: Die Abgasnachbehandlung kann bei der Nutzung von OME gegenüber Diesel stark vereinfacht werden – auf einen Feinstaubpartikelfilter kann bei gegenwärtiger Gesetzgebung ebenso verzichtet werden wie auf ein SCR-System zur Reduktion der Stickoxide. Diese können dann, zusammen mit CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, in einem kompakten 3-Wege-Katalysator entfernt werden.
Die Wissenschaftler um Prof. Onder näherten sich dem neuen Verbrennungsmotor von der Seite der Regelungstechnik. Sie wollten dabei unter anderem wissen, welches die optimale Betriebsstrategie für einen mit Biotreibstoffen oder nachhaltigen synthetischen Treibstoffen betriebenen Motor ist. Der Betrieb eines PKW ist sehr dynamisch und der Motor muss daher schnelle Drehzahl- und Drehmomentwechsel vollziehen können. „Ein Motor arbeitet bei verschiedenen Betriebspunkten und muss die Übergänge zwischen ihnen gut meistern; das ist eine grosse Herausforderung gerade für Benzin-ähnliche und damit zündunwillige Treibstoffe, zu denen Methan, Ethanol und Methanol gehören“, sagt Richard Hutter, der hauptverantwortliche Forscher in der Arbeitsgruppe von Prof. Onder. Hutter hat im Rahmen des vorliegenden Projekts seine Doktorarbeit verfasst.
Methan-Motor optimal betreiben
Richard Hutter konzentrierte sich in seiner Untersuchung auf Methan. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas, lässt sich aber auch aus biogenen Quellen – zum Beispiel Biogas – oder synthetisch unter Einsatz von erneuerbarem Strom gewinnen. Methan wird heute schon in Autos als Treibstoff verwendet, die von einem auf Gasbetrieb umgerüsteten Benzinmotor angetrieben werden. Richard Hutter ging in seiner Untersuchung nun einen Schritt weiter: Er setzte Methan in einem modifizierten Dieselmotor ein: In dem sogenannten Zündstrahl-Motor wird der (zündwillige) Diesel genutzt, um das (zündunwillige) Methan zu zünden. Der ETH-Forscher konnte in seiner Studie einen entscheidenden Vorteil dieses Konzepts aufzeigen: „Wir konnten mit dem Zündstrahl-Motor die Effizienz des Methan-betriebenen Motors um 5 Prozentpunkte auf 42% steigern, das heisst, wir haben mit dem Benzin-ähnlichen Treibstoff Methan die Effizienz eines Dieselmotors erreicht“, fasst Hutter ein Hauptergebnis seiner Studie zusammen.
Autor: Dr. Benedikt Vogel, im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE)