Langfristig werden alternative Kraftstoffe aus biogenen Rohstoffen eine große Bedeutung auf dem Dieselmarkt erlangen. Während heute vor allem Biodiesel eine Rolle spielt, warten mit den synthetischen Kraftstoffen der zweiten und dritten Generation vielversprechende Alternativen auf ihren Einsatz. Das hat Konsequenzen für die Entwicklung von Dieselmotoren.

Der Markt für Dieselkraftstoffe ist in Bewegung: Fossile Energiequellen scheiden langfristig aus – entweder wegen ihrer begrenzten Verfügbarkeit oder aufgrund der Klimaerwärmung, die sie hervorrufen. Alternativen wie Batterien oder Brennstoffzellen sind langfristig zwar in Sicht, werden aber in den kommenden Jahrzehnten flüssige Kraftstoffe nicht in großem Umfang ersetzen können, weil sie noch nicht ausgereift sind. „Aus diesem Grund wird die CO₂-Reduktion infolge neuer Antriebsenergien bis 2020 hauptsächlich mit flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen aus Biomasse erzielt werden“, sagt Heike Puschmann, Entwicklungsingenieurin für Dieselbrennverfahren bei der IAV.

Drei Generationen von alternativen Kraftstoffen

Experten unterteilen die alternativen Kraftstoffe in drei Generationen: Typische Vertreter der ersten Generation sind Pflanzenöl, Biodiesel (zum Beispiel Rapsmethylester, RME) und hydriertes Pflanzenöl (HVO). Bei ihnen wird nur ein Teil der Pflanze genutzt, wodurch sie eine relativ geringe Energieausbeute haben. Auch stehen sie in Konkurrenz zum Anbau von Nahrungsmitteln. „Kraftstoffe der zweiten Generation nutzen die ganze Pflanze“, erklärt Puschmann. „Hierbei kann beliebige Biomasse als Ausgangsstoff dienen – so wird beispielsweise aus Stroh BtL-Dieselkraftstoff (Biomass to Liquid) gewonnen.“ Bei den alternativen Dieselkraftstoffen der zweiten Generation können aber auch Erdgas (Gas-to-Liquid, GtL) oder Kohle (Coal-to-Liquid, CtL) als Rohstoff dienen („multi source fuel“), die jedoch nicht zur Reduktion der Treibhausgas-Emissionen beitragen, da sie auf fossile Energiequellen zurückgreifen. Die Syntheseverfahren ermöglichen es, die Struktur und Größe der resultierenden Kraftstoffmoleküle in einem gewissen Bereich zu variieren.

Es gibt auch bereits eine dritte Generation von alternativen Kraftstoffen: Sie nutzen Algen als Ausgangsstoff, die mittels Photosynthese CO₂ und Sonnenenergie direkt in Vorprodukte für die Kraftstoffherstellung umwandeln. „Dabei kann auf Ackerland, Dünger, Pestizide und schwere Maschinen verzichtet werden und es tritt keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion auf“, berichtet Puschmann. „Diese Ansätze stehen erst am Anfang ihrer Entwicklung, sind aber sehr vielversprechend.“

Biodiesel-Beimischung variiert von Land zu Land

BtL leistet wegen der hohen Investitionen, der langen Vorlaufzeiten beim Bau der erforderlichen Anlagen und aufgrund des höheren Preises noch keinen nennenswerten Beitrag. GtL wird derzeit zu maximal fünf Prozent herkömmlichem Diesel beigemischt, um einen Premium-Kraftstoff zu erhalten. Lediglich Biodiesel ist auf dem Weltmarkt derzeit als alternativer Dieselkraftstoff von größerer Bedeutung – je nach Land werden ein bis maximal sieben Prozent davon dem handelsüblichen Dieselkraftstoff beigemischt.

Für Dieselmotoren hat das noch keine Konsequenzen: „Innerhalb dieser Grenzen sind keine Anpassungen der Fahrzeuge nötig, und der resultierende Mischkraftstoff erfüllt auch die DIN EN 590-Norm für Dieselkraftstoff“, so Puschmann. „In einigen Ländern sind aber auch Sonderkraftstoffe mit einem Anteil von bis zu 30 Prozent Biodiesel erhältlich – teilweise sogar reiner Biodiesel.“ Das verkraften allerdings nur wenige Motoren, weil es bei der Abstimmung der Verbrennung und bei der Regelung der Abgasnachbehandlung zu Problemen führt.

Wenn die alternativen Kraftstoffe ihren Marktanteil weiter ausbauen, müssen die Hersteller von Dieselmotoren ihre Aggregate also anpassen. „Die steigende Beimischung von biogenen Kraftstoffen der ersten Generation ist für die Hersteller eine große Herausforderung, weil die chemische Zusammensetzung dieser Kraftstoffe stark von konventionellem Diesel abweicht“, beschreibt Puschmann das Problem. „Das beeinflusst das Verbrennungsverhalten, erfordert den Einsatz neuer Materialien im Kraftstoffsystem, und hat Auswirkungen auf die Lebensdauer der Komponenten der Abgasnachbehandlungsanlage.“

Maßgeschneiderte Eigenschaften möglich

Der Einsatz von alternativen Dieselkraftstoffen der zweiten Generation führt prinzipiell zu keinen derartigen Problemen. Sie kommen extrem rein aus dem Syntheseprozess, und ihre Zusammensetzung kann in gewissen Grenzen frei gewählt werden – hier stellt sich also die Frage nach den physikalischen und chemischen Eigenschaften, die ein künftiger „idealer“ Dieselkraftstoff haben sollte. „Das kann nur nach weiterer Forschungs- und Entwicklungsarbeit beantwortet werden“, so Puschmann. „Wir müssen dabei nicht nur den optimalen Kraftstoff finden, sondern auch die Motorenkonzepte daran anpassen.“