Alternative Kraftstoffe für die dieselmotorische Verbrennung aus kohlenhydrathaltigen Biomassen und basierend auf bio- und chemisch-katalytischen Herstellverfahren

154 Pages·2017·7.009 MB·German

by  Linda Witzke (auth.)

AutoUni – Schriftenreihe
Linda Witzke
Alternative Kraftstoffe
für die dieselmotorische
Verbrennung aus
kohlenhydrathaltigen
Biomassen und basierend
auf bio- und chemisch-
katalytischen
Herstellverfahren
AutoUni – Schriftenreihe
Band 100
Herausgegeben von/Edited by
Volkswagen Aktiengesellschaft
AutoUni
Die Volkswagen AutoUni bietet den Promovierenden des Volkswagen Konzerns
die Möglichkeit, ihre Dissertationen im Rahmen der „AutoUni Schriftenreihe“
kostenfrei zu veröffentlichen. Die AutoUni ist eine international tätige wissen-
schaftliche Einrichtung des Konzerns, die durch Forschung und Lehre aktuelles
mobilitätsbezogenes Wissen auf Hochschulniveau erzeugt und vermittelt.
Die neun Institute der AutoUni decken das Fachwissen der unterschiedlichen Ge-
schäftsbereiche ab, welches für den Erfolg des Volkswagen Konzerns unabdingbar
ist. Im Fokus steht dabei die Schaffung und Verankerung von neuem Wissen und
die Förderung des Wissensaustausches.
Zusätzlich zu der fachlichen Weiterbildung und Vertiefung von Kompetenzen der
Konzernangehörigen, fördert und unterstützt die AutoUni als Partner die Dok-
torandinnen und Doktoranden von Volkswagen auf ihrem Weg zu einer erfolg-
reichen Promotion durch vielfältige Angebote – die Veröffentlichung der Disser-
tationen ist eines davon. Über die Veröffentlichung in der AutoUni Schriftenreihe
werden die Resultate nicht nur für alle Konzernangehörigen, sondern auch für die
Öffentlichkeit zugänglich.
The Volkswagen AutoUni offers PhD students of the Volkswagen Group the
opportunity to publish their doctor’s theses within the “AutoUni Schriftenreihe”
free of cost. The AutoUni is an international scientific educational institution of
the Volkswagen Group Academy, which produces and disseminates current mobili-
ty-related knowledge through its research and tailor-made further education c ourses.
The AutoUni‘s nine institutes cover the expertise of the different business units,
which is indispensable for the success of the Volkswagen Group. The focus lies on
the creation, anchorage and transfer of knew knowledge.
In addition to the professional expert training and the development of specialized
skills and knowledge of the Volkswagen Group members, the AutoUni supports and
accompanies the PhD students on their way to successful graduation through a vari-
ety of offerings. The publication of the doctor’s theses is one of such offers.
The publication within the AutoUni Schriftenreihe makes the results accessible to
all Volkswagen Group members as well as to the public.
Herausgegeben von/Edited by
Volkswagen Aktiengesellschaft
AutoUni
Brieffach 1231
D-38436 Wolfsburg
http://www.autouni.de
Linda Witzke
Alternative Kraftstoffe
für die dieselmotorische
Verbrennung aus
kohlenhydrathaltigen
Biomassen und basierend
auf bio- und chemisch-
katalytischen
Herstellverfahren
Linda Witzke
Wolfsburg, Deutschland
Dissertation an der Technischen Universität Braunschweig
Fakultät für Lebenswissenschaften
Von der Fakultät für Lebenswissenschaften der Technischen Universität
Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades einer
Doktorin der Naturwissenschaften (Dr.rer.nat.) genehmigte Dissertation.
Von Linda Witzke aus Cottbus
1. Referent: Professor Dr. Uwe Schröder
2. Referent: Professor Dr.-Ing. Peter Eilts
eingereicht am: 08.02.2016
mündliche Prüfung (Disputation) am: 18.04.2016
Druckjahr 2017
Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse der im Rahmen der AutoUni –
Schriftenreihe veröffentlichten Doktorarbeiten sind allein die der
Doktorandinnen und Doktoranden.
AutoUni – Schriftenreihe
ISBN 978-3-658-17675-4 ISBN 978-3-658-17676-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-17676-1
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Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Doktorandin in der Konzern-
forschung der Volkswagen AG in der Abteilung Batterie und Kraftstoffe.
Mein großer Dank für die Unterstützung sowie die Übernahme des Hauptreferates gilt dem
Leiter des Institutes für Ökologische und Nachhaltige Chemie der Technischen Universität
Braunschweig, Herrn Prof. Dr. rer. nat. habil. Uwe Schröder. Für das Interesse an meiner Dis-
sertation und die Übernahme des Koreferates bedanke ich mich herzlich bei Herrn Prof. Dr.-
Ing. Peter Eilts, dem Leiter des Institutes für Verbrennungskraftmaschinen der TU Braun-
schweig.

Ich danke meinem Vorgesetzten Herrn Dr. Frank Seyfried und meinem fachlichen Betreuer
Herrn Dr. Eckart Heinl bei der Volkswagen AG für das Vertrauen in meine Person und die
Möglichkeit, mit dieser Arbeit meinen Ideen zu so einer interdisziplinären Forschungsaufgabe
nachgehen zu können.
Meinem Kollegen Herrn Frank Lange gilt mein lieber Dank für seine überaus engagierte Dis-
kussionsbereitschaft und die persönliche Unterstützung zu jeder Zeit. Bei Herrn Jörg
Lenkowski bedanke ich mich herzlich für sein stets offenes Ohr und seine Geduld, mir alle
möglichen Fragen rund um die Vorgänge und Phänomene der dieselmotorischen Verbrennung
zu beantworten. Mein Dank für sein fachliches Engagement gilt Herrn Gwendal Lucas, der
mir mit großem Zeiteinsatz und Ausdauer den Umgang mit der Software zur Verbrennungs-
simulation ermöglicht hat. Bei meinen Kollegen des Teams Kraftstoffe bedanke ich mich für
die sehr gute Zusammenarbeit. Vielen Dank an Frau Gesa Lippky für die allseitige Ge-
sprächsbereitschaft. Vielen Dank an Herrn Stefan Schmerbeck, Herrn Aiko Mork und Frau
Linda Maria Beck für ihre fachlichen Anmerkungen und die Hilfsbereitschaft. Ohne den Bei-
trag von Euch allen wäre die Erstellung dieser Arbeit nicht möglich gewesen.

Ein ganz lieber Dank gilt meinen guten Freunden und Bekannten, die alle auf ihre eigene
Weise, mit Motivation, Gesprächs- sowie Hilfsbereitschaft, Geduld und ganz viel Verständnis
die Durchführung dieser Arbeit ermöglicht, und mich insbesondere in dieser Zeit begleitet
haben: Linda Brinkhaus, Kristina Jensen, Claudia Elster, Ines Kulka, Andrea Mildner, Annett
Woelk und Kamil Warchulski.

Meinen Eltern Birgit und Eberhard, meiner Schwester Anna, meinen Großeltern Gisela &
Paul und Gisela, Gerhard & Inge danke von ganzem Herzen für die in allen Belangen bedin-
gungslose Unterstützung auf meinem gesamten beruflichen und persönlichen Weg. Mein lie-
ber Christian, danke dir nicht nur für deinen großen fachlichen Beitrag zum Gelingen dieser
Arbeit.
Linda Witzke
Vorveröffentlichungen der Dissertation
Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Fakultät für Lebenswissen-
schaften, vertreten durch den Mentor der Arbeit, in folgenden Beiträgen vorab veröffentlicht:

Tagungsbeiträge
L.Witzke, F.Lange, J. Lenkowski: Evaluation of a furan component as potential biofuel. (Ta-
gungsbeitrag) 3rd International Conference of the Cluster of Excellence “Tailor-Made Fuels
from Biomass”, Aachen (2015).
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Forschungsbedarf ................................................................. 1
1.1.1 Entwicklung der automobilen Mobilität .............................................................. 1
1.1.2 Ökologische Aspekte ........................................................................................... 3
1.1.3 Gesetzliche Rahmenbedingungen für Biokraftstoffe .......................................... 4
1.1.4 Aspekte und Konzepte der Nachhaltigkeit .......................................................... 6
1.1.5 Herstellungstechnologien derzeitiger Biokraftstoffe ........................................... 8
2 Das Edukt Biomasse ...................................................................................... 13
3 Das Produkt Kraftstoff ................................................................................. 21
3.1.1 Das Ottobrennverfahren .................................................................................... 22
3.1.2 Das Dieselbrennverfahren ................................................................................. 23
3.1.3 Der Einfluss der Kraftstoffchemie auf das Zündverhalten ................................ 24
3.2.1 Vorgehensweise ................................................................................................. 29
3.2.2 Ergebnisse zu den Kraftstoffeigenschaften ....................................................... 31
3.2.3 Ergebnisse der motorischen Untersuchungen .................................................... 34
3.2.4 Zwischenfazit ..................................................................................................... 37
3.3.1 Definition Zündverzug ...................................................................................... 38
3.3.2 Methode der motorischen Untersuchung ........................................................... 39
3.3.3 Methode der numerischen Simulation ............................................................... 40
3.3.4 Kraftstoffauswahl und Durchführung ................................................................ 44
3.3.5 Ergebnisse der motorischen Untersuchungen .................................................... 46
3.3.6 Ergebnisse der numerischen Simulation ............................................................ 48
3.3.7 Zwischenfazit ..................................................................................................... 53
4 Die Techno-Ökonomische Analyse der Herstellungsverfahren ................ 57
VIII Inhaltsverzeichnis

4.1.1 Verfahrensdefinition .......................................................................................... 57
4.1.2 Reaktionschemische Charakterisierung der Verfahren ..................................... 58
4.1.3 Festlegungen und Vorgehensweise zur Analyse ............................................... 61
4.1.4 Methoden der verfahrenstechnischen Analyse .................................................. 63
4.1.5 Methoden der ökonomischen Analyse .............................................................. 65
4.2.1 Prinzip der Primärsynthese ................................................................................ 69
4.2.2 Verfahrenskonzeption ........................................................................................ 71
4.2.3 Analyse .............................................................................................................. 73
4.3.1 Prinzip der Primärsynthese ................................................................................ 74
4.3.2 Verfahrenskonzeption ........................................................................................ 75
4.3.3 Analyse .............................................................................................................. 78
4.4.1 Prinzip der Primärsynthese ................................................................................ 79
4.4.2 Verfahrenskonzeption ........................................................................................ 80
4.4.3 Analyse .............................................................................................................. 83
5 Ergebnisse und Auswertung ......................................................................... 85
5.1.1 Bewertung der Verfahrenseffizienzen ............................................................... 85
5.1.2 Bewertung der Atomökonomie ......................................................................... 87
5.1.3 Bewertung der Massenstromanalyse ................................................................. 90
5.2.1 Apparatekosten .................................................................................................. 93
5.2.2 Herstellungskosten............................................................................................. 94
5.2.3 Vergleich der Herstellungskosten von Dieselkraftstoffen ................................. 98
6 Fazit und Ausblick ...................................................................................... 107
A. Anhang ......................................................................................................... 111
Literaturverzeichnis ........................................................................................ 131
Symbol- und Abkürzungsverzeichnis
Verzeichnis wichtiger Symbole und Indizes
Symbol Einheit Bezeichnung
C1,C2 t/a Capacity (dt. Kapazität bzw. Massendurchsatz)
C-Effizienz Mol-% Kohlenstoffeffizienz
Φ - Kraftstoff-Luft-Verhältnis
Hu MJ/kg Heizwert; unterer
K1,K2 € oder USD Kosten
λ - Luft-Kraftstoff- Verhältnis
M g/mol Molmasse
m kg Masse
m - Degressionskoeffizient
ṁ t/a Massenstrom/ Massendurchsatz
η % [MJ/MJ] Wirkungsgrad; thermisch (ηth), Prozesswirkungsgrad (ηP)
p bar Druck
Q W Energiestrom, thermisch (Qth) od. elektrisch (Qel)
T °C/ K Temperatur
t ms Zeit
V m³ Volumen
V m³/h Volumetrischer Durchsatz, Volumenstrom
Y Gew.-% Massenausbeute

Übersicht chemischer Formelbezeichnungen
Formel Bezeichnung Erläuterung
CO Kohlenmonoxid CAS: 630-08-0
CO2 Kohlenstoffdioxid CAS: 124-38-9
C2H5OH Ethanol CAS: 64-17-5
C3H8 Propan CAS: 74-98-6
C4H8O THF Tetrahydrofuran, CAS: 109-99-9
C5 - Eine chemische Komponente mit 5 Kohlenstoffatomen
C6 - Eine chemische Komponente mit 6 Kohlenstoffatomen
C6H12O6 - Summenformel Glukose, Fruktose
C5H6O 2-MF 2-Methylfuran, CAS: 534-22-5