Das Fuel Science Center – Adaptive Umwandlungssysteme für erneuerbare Energie- und Kohlenstoffquellen
Im Hinblick auf den globalen Klimawandel sind CO2-neutrale Energieformen abseits fossiler Rohstoffquellen von immenser gesamtgesellschaftlicher Bedeutung. Eine Möglichkeit klimaneutrale Energie für automobile Anwendungen bereitzustellen sind bio-hybride Kraftstoffe, die entweder auf Basis von biologischen Ressourcen oder mit Hilfe anderer Kohlenstoffquellen und regenerativer Energie hergestellt werden. Um aus der schier unendlichen Zahl an möglichen Molekülen, Kraftstoffe auszuwählen, die sowohl den Ansprüchen der Umwelt als auch technischen Rahmenbedingungen entsprechen, werden im Exzellenzcluster „The Fuel Science Center (FSC)“ Methoden entwickelt, mit denen optimale Kraftstoffkandidaten identifiziert werden können.
| Nutzen | Vorgehen |
|---|---|
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CO2-neutrale Mobilität |
Entwicklung von Messmethoden zur Bestimmung von Stoffdaten unter Hochdruck und bei hohen Temperaturen |
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Emissionsminimierte Verbrennungssysteme |
Unterstützung von Projektpartnern bei der Bestimmung von physikalischen Stoffdaten |
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Einfache Energiespeicherung durch flüssige Energieträger mit hoher Energiedichte |
Untersuchung der Medienverträglichkeit von bio-hybriden Kraftstoffen und Komponenten wie Dichtungen und Kraftstoffleitungen |
Nicht-fossile flüssige Energieträger
Die zunehmende Verfügbarkeit nicht-fossiler Energietechnologien eröffnet beispiellose Chancen zur Neugestaltung der Schnittstellen energetischer und stofflicher Wertschöpfungsketten für eine nachhaltige Zukunft. Die Grundlagenforschung des Exzellenzclusters „Das Fuel Science Center – Adaptive Umwandlungssysteme für erneuerbare Energie- und Kohlenstoffquellen“ (FSC) schafft die Basis für die integrierte Umwandlung von erneuerbarer Elektrizität mit biomassebasierten Rohstoffen und CO2 zu flüssigen Energieträgern mit hoher Energiedichte („Bio-hybrid Fuels“), die eine hocheffiziente und saubere Verbrennung ermöglichen. Im FSC werden Erkenntnisse und wissenschaftliche Methoden erarbeitet, um die motorische Verbrennung fossiler Kraftstoffe durch adaptive Produktions- und Antriebssysteme auf Basis regenerativer Energie- und alternativer Kohlenstoffquellen unter dynamischen Randbedingungen zu ersetzen.
Emissionsminimierte, molekular kontrollierte Verbrennungssysteme
Die aktuelle Forschung zu erneuerbaren Treibstoffen konzentriert sich auf Ersatzkraftstoffe für die heutige Motorentechnologie. Als Kohlenstoffquelle dient dabei entweder nachhaltig erzeugte Biomasse oder CO2 für E-Fuels. Das FSC geht in seinem konvergenten Ansatz zu Biohybrid Fuels weit darüber hinaus und schafft die wissenschaftlichen Grundlagen für ein integriertes Design von Produktionsprozessen und Motorentechnik. Adaptive technologische Lösungen werden angestrebt, um auf die zunehmende Diversifizierung der Energie- und Rohstoffversorgung und Veränderungen des Mobilitätssektors reagieren zu können. Zur Realisierung flexibler und ökonomischer Wertschöpfungsketten wird dabei die (elektro-)katalytische Produktion von Energieträgern und Chemikalien berücksichtigt. Für die Rückwandlung der chemisch gespeicherten Energie werden emissionsminimierte, molekular kontrollierte Verbrennungssysteme erforscht. Es werden methodische Konzepte entwickelt, um für die Bewertung von Umweltbelastung, Wirtschaftlichkeit und gesellschaftlicher Relevanz von einer analytischen Beschreibung zu belastbaren Prognosen zu gelangen.
Interdisziplinäre Forschung
Das FSC stärkt disziplinare Kompetenzen der Natur-, Ingenieurs- und Sozialwissenschaften und bündelt sie in einer dynamischen Teamstruktur. Vorwärtsintegration erfolgt von der Grundlagenforschung der einzelnen Disziplinen hin zum komplexen Gesamtsystem. Gleichzeitig liefern inverse Methoden den Informationsfluss aus der Systemebene zurück und ermöglichen so ein integriertes Design von Molekül und Maschine.
Aufbauend auf den Erfolgen des Exzellenzclusters „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse" schafft das FSC als strukturbildende Einheit der kooperierenden Institute an der RWTH Aachen University, nun im Verbund mit dem Forschungszentrum Jülich sowie den beiden beteiligten Max-Planck-Instituten, ein weltweit führendes wissenschaftliches Umfeld.
Forschungsinhalte des ifas
Im Rahmen des FSC werden am ifas neuartige Messmethoden für die Bestimmung von Stoffeigenschaften unter Hochdruck und bei hohen Temperaturen entwickelt. Ein entsprechendes Beispiel ist die erfolgreiche Entwicklung und Inbetriebnahme eines Prüfstandes für Bestimmung der Gaslöslichkeit von bio-hybriden Kraftstoffen unter Hochdruck und bei hohen Temperaturen.
Neben der reinen Bestimmung von Stoffdaten, kann der Prüfstand ebenfalls für die Konditionierung von Kraftstoffproben verwendet werden, die wiederum – dem interdisziplinären Charakter des Clusters entsprechend – von unseren Projektpartnern innerhalb des FSC genutzt werden um ihrerseits zu ermitteln welchen Einfluss gelöstes Gas auf die motorische Prozesskette hat. In diesem Kontext wird zum Beispiel untersucht, wie sich im Kraftstoff gelöstes Gas auf Düsenströmung, Spray break-up und Verbrennung auswirken.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt des ifas im Rahmen des FSC ist die Untersuchung der Materialverträglichkeit zwischen bio-hybriden Kraftstoffen und Dichtungswerkstoffen sowie anderen automobilen Komponenten. Gerade weil viele der aussichtsreichen Kraftstoffe, die im FSC erforscht werden, chemisch sehr aggressiv sind, versagen an dieser Stelle viele konventionelle Dichtungsmaterialien. Die Aufgabe des ifas ist es mögliche Alternativen zu identifizieren und zu erproben.
Veröffentlichungen
| Titel | Autor(en) |
|---|---|
| A Method for Determining the Bunsen Coefficient of Bio-Hybrid Fuels Fachzeitschriftenartikel (2021) | Hofmeister, Marius Rambaks, Andris (Corresponding author) Rückert, Marcel Grunewald, Mathias Michael Engelbert Reddemann, Manuel Armin Kneer, Reinhold Schmitz, Katharina |
| Bio-hybrid Fuels: From Molecular Structure to Combustion and Emissions Abstract, Beitrag zu einem Tagungsband (2020) | Deshmukh, Abhishek Yashwant (Corresponding author) Davidovic, Marco Grenga, Temistocle Schumacher, Leif Kirsch, Valeri Palmer, Johannes Reddemann, Manuel Armin Hofmeister, Marius Wildenberg, Alina Jacobs, Sascha vom Lehn, Florian Alexander Cai, Liming Ottenwälder, Tamara Sophia Pischinger, Stefan Leonhard, Kai Heufer, Karl Alexander Schmitz, Katharina Kneer, Reinhold Pitsch, Heinz |
Danksagung
Das Forschungsprojekt wird von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) unter der Exzellenzstrategie "The Fuel Science Center" gefördert.