{"id":16136,"date":"2022-11-01T09:40:43","date_gmt":"2022-11-01T08:40:43","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=16136"},"modified":"2022-11-01T09:40:43","modified_gmt":"2022-11-01T08:40:43","slug":"refuels-oder-e-fuels-wo-hakts","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2022\/11\/01\/refuels-oder-e-fuels-wo-hakts\/","title":{"rendered":"Refuels oder E-Fuels \u2013 wo hakts?"},"content":{"rendered":"
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Sie tauchen immer wieder in der Diskussion auf, zuletzt setzte die FDP sich gegen einen Beschluss den Verbrennermotor auslaufen zu lassen zur Wehr. Es gäbe einen Bedarf an Ersatz für Benzin und Diesel und Verbrennungsmotoren. Zeit dem Thema mal auf den Zahn zu fühlen.\"\"\/<\/p>\n

Grundlagen<\/h3>\n

Egal ob man es E-Fuel oder Refuel nennt, gemeint ist eine kohlendioxidneutrale Herstellung eines Kraftstoffs den herkömmliche Verbrennungsmotoren als Ersatz für Benzin und Diesel nutzen können.<\/p>\n

Es gibt verschiedene Verfahren, daneben variieren die Endprodukte und die Ausgangsprodukte, doch ich will mal die grundlegende Problematik erläutern. Das Basisproblem ist das man aus Wasserstoff und Kohlendioxid Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffverbindungen gewinnen will nach folgender stark vereinfachter Formel<\/p>\n

H2<\/sub> + CO2<\/sub> \u2192 Cx<\/sub>Hy<\/sub>Oz<\/sub> + H2<\/sub>O<\/p>\n

Von Bedeutung sind die Synthese des einfachsten Kohlenwasserstoffs Methan und des einfachsten Alkohols Methanol<\/a>:<\/p>\n

4 H2<\/sub> + CO2<\/sub> \u2192 CH4<\/sub> +2 H2<\/sub>O<\/p>\n

3 H2<\/sub> + CO2<\/sub> \u2192 CH3<\/sub>OH + H2<\/sub>O<\/p>\n

Diese Prozesse sind die mit dem niedrigsten Wirkungsgrad, sprich dem höchsten Energieverlust in der Kette Strom \u2026 Antriebskraft. Die Problematik liegt in der Chemie begründet. Wir haben eine Reduktion des Kohlendioxids und eine Oxidation des Wasserstoffs. Dabei wechselt der Sauerstoff seinen Reaktionspartner. Der Sauerstoff ist, wie jedes andere Element, bestrebt die Verbindung einzugehen die die geringste Energie hat. Das kann man an verschiedenen Zahlen festmachen. So bei der pro Bindung freiwerdenden Energie: Sie beträgt bei der Bildung von Kohlendioxid 394 kJ\/Mol, bei vier Bindungen für zwei Sauerstoffatome also 98,5 kJ\/Bindung. Bei der Bildung von Wasser aus den Elementen sind es 287 kJ\/Mol, bei zwei Bindungen pro Wassermolekül, also 143,5 kJ\/Mol. Das ist deutlich mehr. Die Umsetzung wird dadurch erleichtert das beide Reaktionen exergonisch sind, das heißt auf der rechten Seite der Gleichung steckt weniger Energie als auf der linken Seite, es wird Energie meist in Form von Wärme frei.<\/p>\n

Eine andere Betrachtung des Geschehens liefern die Elektronegativitäten. Hat der Sauerstoff die freie Wahl, so wird er eine Verbindung mit dem Stoff eingehen, bei der die Differenz der Elektronegativität größer ist. Die Elektronegativität von Sauerstoff beträgt 3,08, die von Kohlenstoff 2,55 und die von Wasserstoff beträgt 2,2 nach der Pauling Skala<\/a>. Da die Differenz von 3,08 zu 2,2 größer ist also zu 2,55 wird der Sauerstoff sich vorwiegend mit dem Wasserstoff verbinden. Das ist von Relevanz, wenn nicht der gesamte Sauerstoff reagieren kann es also einen Überschuss an Kohlenstoff\/Wasserstoff(verbindungen) gibt.<\/p>\n

Hier gibt es einen Querbezug zur Raketentechnik. Werden Kohlenwasserstoffe wie Methan oder Kerosin mit Sauerstoff umgesetzt, so wird immer Sauerstoff im Mangel vorliegen. Dann wird man im Abgasgemisch erheblich mehr Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Wasserstoff finden. Bezogen auf unsere Reaktion wollen wie aber das der Kohlenstoff vollständig reagiert.<\/p>\n

In der Chemie gibt es eine Reihe von Möglichkeiten die Reaktion trotzdem in die gewünschte Richtung zu lenken. Beim Kohlenstoff muss man auch berücksichtigen, das dieser nur teilweise zu Kohlenmonoxid reduziert werden kann. Eine Möglichkeit ist es die Temperaturen so hoch zu fahren, das die Aktivierungsenergien keine Rolle mehr spielen. Das ist wegen des Energieaufwandes jedoch eine schlechte Lösung. Ein Verfahren das erprobt wird, ist es z.B. in einem Solarturm (Spiegel reflektieren das Sonnenlicht in einen Brennpunkt auf einem Turm) extrem hohe Temperaturen zu erreichen. Die zweite und häufiger eingesetzte Möglichkeit ist es laufend Produkte aus dem Gleichgewicht abzuziehen. Kühlt man das Gasgemisch auf unter 100 \u00b0C und führt es wieder im Kreislauf in die Reaktionskammer, so kondensiert laufend Wasser und beim Methanolverfahren auch dieses aus, will der Wasserstoff weiter mit dem Sauerstoff reagieren so muss er ihn aus dem zuerst gebildeten Kohlenmonoxid holen.<\/p>\n

Verfahren Methanolsynthese<\/h3>\n

Das heute energetisch effizienteste Verfahren ist das der Methanolsynthese. Man geht also nicht den ganzen Weg zu einem Kohlenwasserstoff und nimmt in Lauf das der Treibstoff einen etwas niedrigeren Energiegehalt hat. Dafür ist die Gewinnung viel effizienter da viel geringere Reaktionstemperaturen benötigt werden.<\/p>\n

Die Synthese umfasst folgende Schritte:<\/p>\n