Ein besseres Verständnis des Biokraftstoffpotenzials für eine sauberere Umwelt
Biokraftstoffe werden seit langem als vielversprechende Lösung für die Herausforderung verkündet, den ständig wachsenden Energie- und Transportbedarf auf eine sicherere und nachhaltigere Weise zu decken, als dies mit herkömmlichen Rohstoffquellen möglich ist. Sogenannte Biokraftstoffe der zweiten Generation (2G), die in der Regel aus Biomasse wie pflanzlichen und tierischen Stoffen (Quellen für organischen Kohlenstoff) hergestellt sind, bieten das Potenzial für eine solche weltweite Treibstoffversorgung. 2G verbessert die erste Generation (die aus Zucker und pflanzlichen Ölen hergestellt wird), da sie nicht den gleichen Beschränkungen in Bezug auf die gewinnbaren Mengen unterliegt. Allerdings ist die Herausforderung für die breite Einführung von 2G in der Luftfahrt- und Automobilindustrie zum Beispiel, dass manche Aspekte seiner Verbrennungsprozesse immer noch nicht vollständig verstanden werden. Dies ist gleichgesetzt mit unserem Verständnis des Oxidations- / Verbrennungsmechanismus der Kohlenwasserstoffmoleküle bei konventionellen Brennstoffen r und geht vor allem auf die breitere Palette der an der Mischung beteiligten chemischen Strukturen zurück. Das von der EU finanzierte 2G-CSAFE-Projekt wurde eingerichtet, um einige dieser Wissenslücken durch die Entwicklung von kinetischen Modellen auszufüllen und um sich speziell mit verbrennungsbedingten Schadstoffen und entscheidenden Zwischenstufen für Kraftstoffzündung in neuen Motoren zu befassen. Kinetische Modellierung Das 2G-CSAFE-Projektteam entwickelte eine Reihe von kinetischen Modellen für 2G-Biokraftstoffe, weil „ein kinetisches Modell als ein numerisches Werkzeug definiert werden kann, das dazu verwendet wird, die Verbrennung von Treibstoffen zu imitieren und diese möglicherweise vorherzusagen“, erklärt Projektkoordinator Dr. Philippe Dagaut. Die Zusammensetzung des 2G-Biokraftstoffgemischs macht sie besonders komplex und so hat das Team in seinen Modellen Ersatzkraftstoffverbindungen verwendet, die aus ihren Ergebnissen extrapolieren können. Wie Dr. Dagaut weiter ausführt, sind „Modelle für die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen dank zahlreicher Anstrengungen seit den 1970er Jahren relativ einfach zu schreiben. Für Biokraftstoffe der zweiten Generation ist das anders: durch ihre chemischen Strukturen reagieren sie unterschiedlich, sowohl in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit als auch hinsichtlich Reaktivität, und in Bezug auf die Reaktionswege.“ Das Projekt untersuchte mehrere 2G-Biokraftstoffeigenschaften. Erstens die chemischen Reaktionen der zahlreichen für die Verbrennung notwendigen Schritte (vom Brennstoff-Luft-Gemisch zur Bildung von Wasser und Kohlendioxid als Endprodukte, aber auch von unverbrannten Stoffen wie flüchtigen organischen Verbindungen oder polyaromatischen Kohlenwasserstoffen). Zweitens verfolgte es die Parameter, die die Geschwindigkeit beschreiben, mit der jede chemische Reaktion abläuft. Was laut Dr. Dagaut die Forschung besonders anspruchsvoll machte, war, dass das Team sich in einem unerforschten Bereich aufhielt. „Wenn man von vorne anfangen muss, ist der Weg zum Erfolg immer länger als erwartet. Zum Beispiel war die quantitative Messung des HO2-Radikals schwieriger als erwartet; das Extrahieren von Zündparametern aus den Mikro-Flow-Reaktor-Experimenten war nicht so einfach wie ursprünglich gedacht.“ Ein Weg voller Weltneuheiten Insgesamt hat 2G-CSAFE gezeigt, dass der genaue Kraftstoffmix am Wichtigsten ist. Die Verbrennung von Biokraftstoffen hat sich in einigen Fällen als gefährlicher als bei konventionellen Brennstoffen erwiesen. Wie Dr. Dagaut zusammenfasst: „Je nach Brennstoffstruktur der Biokraftstoffe kann man weniger polyaromatische Kohlenwasserstoff-Schadstoffe erhalten, z. B. mit Alkoholen und Estern oder mehr als bei konventionellen Brennstoffen wie 2,5-Dimethylfuran.“ Die Forschung hat auch die Bedeutung einiger typischer Reaktionen wie molekulare Eliminierung bei sauerstoffhaltigen Brennstoffen gezeigt, während diese Reaktionen für Kohlenwasserstoffe oft vernachlässigt werden. Das Projekt hat mehrere praktische Werkzeuge und Methoden entwickelt, von denen es sich bei vielen um Weltneuheiten handelt. Es sind ihm beispielsweise die ersten quantitativen Messungen von HO2-Radikalen bei der Oxidation von Treibstoffen unter Verwendung einer Gruppe bestehend aus Strahl-Rühr-Reaktor - Sampling-Konus - Cavity Ring Down- Spektroskopie gelungen- was eine wesentliche Leistung aufgrund der Bedeutung dieses Radikals für die Zündung ist. Mit einem Mikro-Flow-Reaktor konnte das Projekt auch die Frequenz für Flammen mit repetitivem Löschen und Entzünden (Flames with Repetitive Extinction and Ignition, FREI) messen. Außerdem wurden erstmalig oszillierende schwache Flammen beobachtet, ein Verhalten, das vorhergesagt, aber noch nie beobachtet wurde. Dies sind Phänomene, die erhebliche Auswirkungen auf die Verwendung von Mikrobrennkammern als machbaren Batterieaustausch haben könnten. Das Team arbeitet derzeit an der weiteren Validierung der Verbrennungsmodelle für die komplexesten Biokraftstoffe. Es erforschte auch die plasmaunterstützte Zünd- und Verbrennungssteuerung, die auf der Entdeckung aufbaut, dass bei homogenen Ladungskompressionszündungsmotoren (HCCI) die Zugabe von kleinen Mengen aktiver Spezies getrennt und gemischt (NO, NO2, O3) ein hohes Potenzial für eine erhöhte Effizienz aufweist.
Schlüsselbegriffe
2G-CSAFE, Biokraftstoffe, Verbrennung, Oxidation, Zündung, Kraftstoffe, organischer Kohlenstoff, Motoren, Luftfahrt, Automobile, Schadstoffe, kinetische Modelle, Kohlenwasserstoffe, plasmaunterstützt
