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Was tanken wir morgen?

26.02.2019 | Text: Lucie Maluck | Bilder: Shutterstock

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Wasserstoff, Methan, Methanol, DME, OME oder synthetischer Diesel – all dies sind Kraftstoffe, die man verbrennen kann. Doch welcher dieser Kraftstoffe macht in der Zukunft das Rennen? MTU-Entwickler erforschen derzeit in mehreren Projekten, welche Kraftstoffe die wirtschaftlichsten und effizientesten sind und wie die passenden Motoren dazu aussehen. 

Der jüngste Bericht des Weltklimarates liest sich wie eine letzte Warnung: Die international vereinbarten Klimaziele sind nur noch schwer zu erreichen, und auch nur, wenn die Menschheit jetzt entschlossen handeln. Und zu diesem energischen Handeln muss der Abschied von den fossilen Energieträgern Kohle, Öl und Erdgas gehören, denn deren Verbrennung ist zu einem wesentlichen Teil für den Anstieg an Treibhaus-gasen in der Atmosphäre verantwortlich. 

Mit Wasserstoff und Methan in die Kraftstoffzukunft? 
Die Zukunft sind synthetisch hergestellte Kraftstoffe, die sauber und in Summe klimaneutral verbrennen. Wasserstoff ist einer davon. Den kann man mit Strom aus erneuerbaren Energien gewinnen. Er kann entweder direkt genutzt werden oder mit Kohlendioxid zu Methan synthetisiert werden. Der Vorteil sowohl von Wasserstoff als auch von synthetischem Methan: Wenn man sie verbrennt, entstehen keine bzw. erheblich weniger Schadstoffemissionen. Und: Sie können mit Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen hergestellt werden. Wenn dieser nicht direkt genutzt wird, ist er bisher schwer zu speichern. Daher steht an besonders sonnigen oder windigen Tagen oft mehr Strom zur Verfügung, als die Verbraucher benötigen. Daraus Kraftstoff herzustellen ist eine andere Art der Speicherung – aus elektrischer Energie wird Energie, um Motoren zu betreiben. 

Methanol als LNG-Alternative
Doch die Gedanken der Motorexperten gehen weiter. Denn aus Methan kann man Methanol herstellen. Als flüssiger Kraftstoff hat dieser den Vorteil, wesentlich leichter gelagert werden zu können. Besonders in der Schifffahrt werden die Vorteile von Methanol gesehen. „Bisher gilt LNG, also verflüssigtes Erdgas, als Schiffskraftstoff der Zukunft, doch LNG kann nur in Hochdrucktanks oder bei minus 164 Grad transportiert und gelagert werden. Diese Temperatur ist über einen längeren Zeitraum schwer zu halten“, erklärt Dr. Peter Riegger, Leiter der MTU-Vorentwicklung. Methanol könnte da eine Alternative sein. Es benötigt keine aufwendige Lagerinfrastruktur wie LNG und ist daher leichter in die Schiffe zu integrieren. 

Und auch bei Methanol hört die Kraftstoffentwicklung nicht auf: Aus Methanol können sogenannte Diesel-Ersatzkraftstoffe DME- oder OME-Kraftstoffe gewonnen werden. Dies sind synthetische Kraftstoffe, die auch in leicht modifizierten Dieselmotoren verbrannt werden könnten. Mittels Fischer-Tropsch-Synthese kann auch vollständig normkonformer Diesel synthetisch hergestellt werden. 

Die große Frage der MTU-Experten ist nun, welcher Treibstoff in Zukunft der wirtschaftlichste und energieeffizienteste ist. „Wenn man aus Wasserstoff Methan oder Methanol herstellt, geht dabei Energie verloren“, fasst Riegger zusammen „Trotzdem könnte insbesondere in der Schifffahrt Methanol der Kraftstoff der Zukunft sein, da dieser einfacher zu lagern und zu handhaben ist“, so der Entwickler. Bei stationären Motoren für die Stromerzeugung sieht die Welt dagegen anders aus. Da spielt die Infrastruktur eine wesentlich kleinere Rolle, da vorhandene Erdgasnetze erweitert werden könnten. Daher ist Wasserstoff als Kraftstoff hierfür eher eine Möglichkeit.

„Ich gehe davon aus, dass wir künftig verschiedene Kraftstoffe haben werden, die Festlegung auf einen wird es nicht geben“, so Riegger.

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Strom aus erneuerbaren Energien steht zu sonnen- und windreichen Zeiten im Überfluss zu Verfügung – diese überschüssige Energie kann nicht direkt genutzt werden. Eine Möglichkeit, um sie zu speichern, ist die Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff zu erzeugen. Neben Wasserstoff entsteht dabei lediglich Sauerstoff. Der Wasserstoff kann entweder direkt genutzt werden oder mittels Synthese unter Einbindung von CO2 zu gasförmigen Kraftstoffen wie Methan (Power-to-Gas) oder zu flüssigen Kraftstoffen wie beispielsweise Methanol, DME oder OME (Power-to-Liquid) weiterverarbeitet werden.

 

Erneuerbares Methan für die Schifffahrt
Im Forschungsprojekt MethQuest, das MTU gemeinsam mit der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie leitet, entwickeln derzeit 27 Projektpartner Konzepte, wie Kraftstoffe aus erneuerbaren Energien erzeugt und in Motoren genutzt werden können. MTU-Entwickler forschen beispielsweise an zwei neuen Motorenkonzepten für die Schifffahrt. „Wir arbeiten an zwei unterschiedlichen Projekten: Einem Otto-Motor-Konzept und einem kraftstoffflexiblen Motorenkonzept mit Direkteinspritzung“, erläutert Projektleiter Dr. Manuel Boog. 

Otto-Gas-Motoren gibt es schon lange, denn Gas lässt sich leicht in Otto-Motoren verbrennen. Der Nachteil an diesem Konzept ist allerdings, dass das Gas nicht vollständig verbrennt und unverbranntes Methan entweicht. Dieses Phänomen wird Methanschlupf genannt. „Methan ist klimaschädlicher als CO2, daher wird das Potenzial von Gasmotoren, die Treibhausgasemissionen deutlich zu reduzieren, nicht ausgenutzt“, so Boog. Im Projekt MethQuest soll nun ein Methan-Oxikatalysator entwickelt werden, der das Methan unschädlich macht. Die Herausforderung: Methan braucht hohe Temperaturen, um im Abgasstrang oxidiert zu werden. Diese sind im Motor nur vor der Turbine des Turboladers verfügbar. Dort muss der Katalysator platziert werden, was der Motordynamik deutlich schadet. MTU-Entwickler arbeiten daher an einem System zur elektrisch unterstützten Turboaufladung, das diese Nachteile ausgleicht. 

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Erneuerbarer Strom aus Photovoltaik oder Windkraft kann zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) verwendet werden. Dieser kann schrittweise weiter veredelt werden, beispielsweise zu Methan (CH4), Methanol (MeOH), den alternativen Kraftstoffen DME/OME (Dimethylether/Polyoxymethylendimethylether) oder auch zu dieselähnlichem Kraftstoff (PtL). Mit fortschreitender Prozesskette wird Energie in Form von nutzbarer Wärme frei und steht somit dem Antrieb nicht mehr zur Verfügung. Gleichzeitig steigt mit den Verarbeitungsschritten die Kompatibilität zu Diesel- bzw. Gasmotoren. Brennstoffzellen stellen insbesondere im vorderen Bereich der Verarbeitungskette eine Alternative zu Verbrennungsmotoren dar.

Gasmotor ohne Methanschlupf
Beim zweiten Schiffs-Gasmotorenkonzept, dem kraftstoff-flexiblen Motorenkonzept mit Direkteinspritzung, wird ein völlig neues Brennverfahren entwickelt. „Hier wird wie beim Dieselmotor zunächst Luft im Brennraum komprimiert, dann der Hauptenergieträger Gas eingedüst und gleichzeitig eine kleine Menge Diesel eingespritzt, die das Gas entzündet“, so Boog. Der Vorteil dieses Verfahrens: Das Gas verbrennt nahezu vollständig und der gefürchtete Methanschlupf ist vernachlässigbar gering. „Dass dieses Brennverfahren funktioniert, haben wir bereits in einem weiteren öffentlich geförderten Projekt FlexDI nachgewiesen“, so Boog. Ein weiterer Vorteil dieses Konzepts: Auch Methanol kann mit diesem Brennverfahren problemlos Motoren antreiben. Die Herausforderung jetzt ist allerdings, dass ein Hochdruckgassystem entwickelt werden muss. Denn um das Gas einzudüsen, muss es auf sehr hohen Druck gebracht und erwärmt werden. 

„Wir werden beide Konzepte und das System zur Gasdruckversorgung erproben und dann entscheiden, welches das vielversprechendste im gesamten Antriebssystem für die weitere Entwicklung ist“, so Boog. Ziel beider Konzepte ist es, dass die Motoren genauso leistungsstark sind wie Dieselmotoren, dabei aber signifikant weniger klimaschädliche Emissionen ausstoßen. 

Wasserstoff im Verbrennungsmotor
Im Forschungsprojekt MethPower entwickelt MTU auch für stationäre Gasmotoren neue Motorkonzepte. „Wir wollen herausfinden, mit welchem Motor wir am effizientesten Strom erzeugen können“, erläutert Projektleiter Dr. Michael Thoma. Auch in diesem Projekt werden zwei Motorkonzepte entwickelt, die am Ende miteinander ver-glichen werden. Zum einen ein mit Wasserstoff betriebener Motor. „Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus überschüssigem Strom hergestellt werden, daher liegt es nahe, ihn auch in unseren Motoren zu verwenden“, erläutert Thoma. Wie auch beim Erdgasmotor, wird der Wasserstoff im Projekt MethPower im Otto-Verfahren verbrannt. Die Zündung des Wasserstoffluftgemischs erfolgt über eine Zündkerze. Allerdings verbrennt Wasserstoff viel schneller als Erdgas. „Das ist eine Herausforderung, mit der wir uns in den nächsten Monaten beschäftigen“, so Thoma. 

Power-to-Gas-Kreislauf
Parallel dazu arbeitet das Projekt MethPower aber auch an der Weiterentwicklung eines Motors, der Erdgas, bzw. Methan verbrennt. „Die Motoren haben wir bei MTU schon lange im Portfolio, uns geht es jetzt darum, den Motor in einen Kreislauf aus Kraftstofferzeugung und Abgasnutzung einzubinden“, erläutert Thoma. Denn das bei der Verbrennung entstehende CO2 könnte dem Motorabgas direkt entzogen werden. Und mit diesem CO2 könnte man dann neues Methan herstellen. „Besonders in Microgrids ist das ein interessantes Konzept“, so Thoma. Hier ist der Gasmotor in ein Netz von Stromerzeugern und gegebenenfalls -speichern eingebunden. Dieses Netz könnte um eine Power-to-Gas-Anlage erweitert werden, um so mit weniger Batterien auszukommen. „Die Power-to-Gas-Anlage würde im Zusammenhang mit einem Gasspeicher wie eine große Batterie funktionieren: Sie erzeugt mit erneuerbar hergestelltem Strom Methan, das dann im Bedarfsfall, wenn keine Sonne und kein Wind verfügbar ist, wieder zu Strom verarbeitet wird“, erläutert Thoma das Konzept. 

Am Ende müssen die Entwickler vergleichen, welches Verfahren ein besseres Verhältnis aus Energiegewinnung/Energieverbrauch hat und somit das effizienteste ist. 

Lösungen für die Zukunft
Allen synthetischen Kraftstoffen und Motorkonzepten ist eins gemeinsam: Sie leisten einen deutlichen Beitrag, CO2-Emissionen zu minimieren und damit die Energiewende voranzutreiben. „Dafür stehen wir als Unternehmen: Wir entwickeln Antriebslösungen für die Zukunft und gestalten diese aktiv mit“, fasst Dr. Peter Riegger die Ziele zusammen.

Der Inhalt der Beiträge entspricht dem Stand zum jeweiligen Erscheinungsdatum. Sie werden nicht aktualisiert. Weitergehende Entwicklungen sind deshalb nicht berücksichtigt.

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