Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse

Der stetige Anstieg des Energiebedarfs und damit auch der Kohlendioxidemission (CO2) bei beschränkter Verfügbarkeit fossiler Energiereserven stellt eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen dar. Damit gewinnt die Forschung auf dem Gebiet der energetischen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen zunehmend an Bedeutung, um Ersatz für die Nutzung fossiler Energiequellen zu schaffen.

In der Europäischen Union beträgt der Anteil des Verkehrs am Gesamtenergieverbrauch etwa 30 Prozent. Für den Zeitraum zwischen 2000 bis 2030 wird ein weiterer Anstieg des Energiebedarfs erwartet – im Personenverkehr um 14 Prozent und im Güterverkehr um 74 Prozent. Auf Grund ihrer speziellen Anforderungen hinsichtlich Verteilung, Speicherung, Aufbereitung und Verbrennung stellen Kraftstoffe für den Transportsektor eine besondere Herausforderung dar. Hier sind erfolgreiche Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der alternativen Kraftstoffe für den Verkehrssektor dringend erforderlich.

Der Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ an der RWTH Aachen verfolgt vor diesem Hintergrund einen interdisziplinären Ansatz zur Erforschung neuer, synthetischer Kraftstoffe auf Basis von Biomasse. Gezielte synthetische Umwandlungspfade, basierend auf neuen katalytischen Systemen und integrierten Produktionsprozessen mit intensivierten Prozessschritten zur Kraftstoffherstellung, werden erforscht, um so auf möglichst effiziente Weise optimierte Kraftstoffe aus Biomasse zu entwerfen. Durch die Formulierung neuer Kraftstoffe mit spezifisch zugeschnittenen Eigenschaften soll das Potential effizienter und sauberer Niedertemperaturbrennverfahren für Verbrennungsmotoren erforscht werden.

„Die Definition von maßgeschneiderten Bio-Kraftstoffen mit optimierten Eigenschaften für neue Brennverfahren unter Berücksichtigung der Herstellung stellt eine gemeinsame Herausforderung für die Chemo- und Biokatalyse, die Prozess- und Systemtechnik, die Verbrennungsforschung und die Motorentechnik dar“, so Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger vom RWTH-Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen und Koordinator des Exzellenzclusters. Mit dem zu erforschenden neuen selektiven Prozess zur Umwandlung des gesamten Pflanzenmaterials (Lignozellulose) in maßgeschneiderte Kraftstoffkomponenten wird dieser Exzellenzcluster Basis sein für die dritte Generation biogener Kraftstoffe. Diese Kraftstoffe – ganz im Gegensatz zu vielen heutigen Biokraftstoffen – werden dabei nicht im Wettbewerb zur Nahrungsmittelkette stehen.

Der disziplinübergreifende Forschungsansatz folgt einem modellbasierten Verfahren: Ausgewählte Kraftstoffkomponenten mit maßgeschneiderten Eigenschaften werden von den Anforderungen des Verbrennungsprozesses abgeleitet. Die Definition dieses Kraftstoffs wird von dem Forschungserfolg attraktiver katalytischer Umwandlungspfade und dem Aufwand für deren Produktion abhängen. „Nur die enge Vernetzung der unterschiedlichen Disziplinen – das heißt der Chemie, der Verfahrenstechnik und der Verbrennungstechnik – schafft die Voraussetzung zur systematisch optimierten Lösung, die von einer Disziplin alleine nicht dargestellt werden kann“, so Professor Pischinger.

Das gemeinsam gegründete Kompetenzzentrum Kraftstoff-Design (Fuel Design Center) dokumentiert die enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus der naturwissenschaftlichen Fakultät und der Fakultät für Maschinenwesen der RWTH sowie den beteiligten Partnerinstitutionen: dem Aachener Fraunhofer-Institut für Molekulare Biotechnologie und Angewandte Ökologie sowie dem Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mühlheim an der Ruhr. Das Fuel Design Center baut auf langjährige, erfolgreiche Forschung in den relevanten Gebieten. Etwa 130 der über 400 Professoren der RWTH Aachen lehren und forschen in den Bereichen Natur- und Ingenieurwissenschaften. Dazu sind derzeit über 500 Wissenschaftler, unterstützt von etwa 400 technischen Angestellten und etwa 250 studentischen Mitarbeitern in diesen Bereichen tätig. Es wird auf die bestehende Infrastruktur und auf aktuelle Forschungsarbeiten von fünf Sonderforschungsbereichen, drei Graduiertenschulen und einem DFG-Schwerpunktprogramm aufgebaut. Mit dem Zusatzbudget der Exzellenzinitiative werden etwa 80 neue wissenschaftliche Stellen geschaffen, um das disziplinenübergreifende Forschungsfeld „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ zu stärken.

Um die hochgesteckten Forschungsziele zu erreichen, sind im Rahmen des Fuel Design Centers drei fachübergreifende Forschungsfelder definiert: Molekulare Transformation, Reaktions- und Prozess-Design für nachwachsende Rohstoffe und Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung.

Das integrative Forschungsfeld „Molekulare Transformation“, das von Univ.-Prof. Dr. Walter Leitner koordiniert wird, konzentriert sich auf die gezielte Umsetzung biogener Substrate aus den Rohstoffströmen Cellulose, Hemicellulose und Lignin zu molekular definierten Komponenten eines maßgeschneiderten Kraftstoffs. Die Erforschung ausgewählter molekularer Stoffumwandlungen auf Basis der Katalyse als Schlüsseltechnologie wird im Mittelpunkt der Forschung stehen. „Aufgrund der Komplexität der erforderlichen Stoffumwandlungen sollen die komplementären Vorzüge der drei wichtigsten Katalysedisziplinen – homogene, heterogene und Bio-Katalyse – in einem integrierten Ansatz von der molekularen bis zur mesoskopischen Skala ausgelotet werden“, so Professor Leitner.

Das integrative Forschungsfeld „Reaktion- und Prozesstechnik für nachwachsende Rohstoffe“ untersucht zentrale Fragen auf dem Wege zu einer neuen Verfahrenstechnik für die Herstellung von Kraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen. „Der Schwerpunkt liegt dabei auf integrierten Prozessen und intensivierten Apparaten. Zunächst werden Prozesse zur selektiven Umsetzung von Biomasse zu Substraten bearbeitet. Darauf aufbauend wird später die Weiterverarbeitung zu Kraftstoffkomponenten betrachtet“, schildert Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Marquardt als Sprecher dieses Forschungsfelds.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Norbert Peters, Sprecher des dritten integrativen Forschungsfeldes „Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung“, erläutert, dass „maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse eine noch nie da gewesene Gelegenheit bieten, den Energiewandlungsprozess in Verbrennungsmotoren neu zu gestalten“. Er fügt hinzu: „Die beiden traditionellen Motortypen, der Otto- und der Dieselmotor, wurden zur Verwendung der leichter oder der schwerer siedenden Anteile flüssiger Kohlenwasserstoffe entwickelt, die aus Rohöl destilliert werden können. Indem der Kraftstoff aus Biomasse im Hinblick auf die Anforderungen des Motors maßgeschneidert wird, kann man Brennverfahren realisieren, an die man bisher nicht hätte denken können.“ Beispielsweise wird für den Dieselmotor die Selbstzündung höherer Kohlenwasserstoffe aufgrund der Niedrigtemperaturkinetik als günstig angesehen, aber als schädlich für den Ottomotor, weil dieselbe Kinetik für das Klopfen verantwortlich ist.

Maßgeschneiderte Kraftstoffe mit unterschiedlicher Temperatur- und Druckabhängigkeit der Selbstzündkinetik könnten imstande sein, diesen Widerspruch zu lösen. „Diese oder andere Eigenschaften, die sich von denen konventioneller Kraftstoffe unterscheiden, könnten es ermöglichen, ein neues Brennverfahren zu entwickeln, das gemeinsame Eigenschaften zukünftiger Otto- und Dieselmotoren teilt“, fasst Prof. Pischinger zusammen.

In dem übergreifenden Querschnittsthema „Fuel Design“ werden alle Aktivitäten der beschriebenen Forschungsfelder gebündelt, um den maßgeschneiderten Kraftstoff aus Biomasse zu definieren. Das gezielte Kraftstoff-Design erfordert eine gemeinsame Herangehensweise aller beteiligten Forschungsfelder und umfasst sowohl das Design der Stoffumwandlungsprozesse sowie die Optimierung der energetischen Umsetzung im Verbrennungsmotor. Nur durch ein systematisches Vorgehen, unterstützt durch den gezielten Einsatz mathematischer Modelle und Methoden, können die Potentiale des gezielten Designs neuer Kraftstoffkomponenten genutzt werden. Die zu entwickelnden methodischen Ansätze dienen nicht nur der Auswahl der vielversprechendsten bekannten Komponenten, sondern vor allem auch der Identifikation neuer Kraftstoffkomponenten. Hier ist das Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ durch die Bündelung der Kompetenzen der verschiedenen Forschungsgebiete bestrebt, Synergien im methodischen und wissenschaftlichen Lösungsansatz zu schaffen.

Die RWTH Aachen wird die Kompetenzen in einem gemeinsamen „Fuel Design Center“ mit über 1.000 Quadratmeter Laborfläche bündeln. Darüber hinaus ist geplant, zwei neue Professuren einzurichten sowie fünf Juniorprofessoren, um so eine strukturelle Nachhaltigkeit zu gewährleisten.

Um eine kritische Überprüfung der Forschungsarbeiten sicherzustellen, wurde schon in der Antragsphase ein mit international renommierten Forschern besetztes Advisory Board berufen. Beteiligt sind auf ähnlichen Themengebieten tätige Wissenschaftler, etwa der Princton University, der Yale University oder des MIT. Darüber hinaus sind Industrievertreter aus der chemischen Industrie wie Bayer, aus der Petrochemie wie BP oder Shell sowie aus dem Automobilbereich wie Daimler, Ford, Volvo und VW in das Advisory Board eingebunden. Durch diese externen Partner wird ein direktes Feedback im Hinblick auf eine spätere Umsetzung eingebracht. Schließlich sollen die Forschungsergebnisse nicht nur in Lehrveranstaltungen eingebunden werden, sondern es soll idealerweise ein direkter Transfer der Forschungsergebnisse in die industrielle Anwendung geprüft werden.

Für 2008 ist ein erster internationaler Workshop zum Thema „Tailor-Made Fuels from Biomass“ in Aachen geplant. Neben den Forschern des Exzellenzclusters werden als Redner auch weltweit renommierte Wissenschaftler sowie Industrievertreter eingeladen, um so einen engen wissenschaftlichen Austausch zu etablieren und zu pflegen.

Die Voraussetzungen für den Erfolg des Exzellenzclusters sind für die RWTH Aachen und die Partnerinstitutionen einmalig, nicht zuletzt weil die fachgebietsübergreifende Forschung in Aachen als der Universität mit dem höchsten Anteil an drittmittelfinanzierter Forschung deutschlandweit – 150 Millionen des Gesamtbudgets von 540 Millionen Euro – bereits eine lange Tradition hat.

Toni Wimmer

Weitere Informationen erhalten Sie bei Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger oder Dipl.-Ing. Michael Wittler, Oberingenieur am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der RWTH Aachen, Telefon 0241/80-95373.