Katalyse und Prozesse für nachhaltige Kraftstoffe
Chemische Prozesse, die über Intermediate wie Synthesegas, Methanol oder DME zu Kraftstoff und Kraftstoffkomponenten führen, benötigen leistungsfähige, robuste und kostengünstige Katalysatoren. Power-to-Fuels-Konzepte zielen darauf ab, mittels solcher Prozesse die chemische Speicherung von erneuerbaren Energien zu realisieren. Die Dynamik der Stromerzeugung mittels Windkraft (2017: 18,8 % der Gesamtstromerzeugung in D) und Photovoltaik (2017: 7 %) erfordert jedoch, dass solche Konversionen, anders als in den konventionellen stationären Prozessen der chemischen Industrie, bei sehr unterschiedlichen und zum Teil nicht idealen Betriebsbedingungen ablaufen (www.sci.kit.edu/70.php). In gemeinsamen Projekten nutzen die IKFT-Arbeitsgruppen „Katalyse und Prozesse für die CO2-Fixierung“ und „Katalyse und Prozesse für nachhaltige Kraftstoffe“ eine Prozess- und Anlagentechnik, die in unterschiedlichen Skalen und für verschiedene Durchsatzbereiche ausgelegt ist und entwickeln Katalysatormaterialien für die jeweiligen Prozessschritte. Mittels experimentell bestimmter Reaktionskinetiken und der Entwicklung kinetischer Modelle werden die Prozessschritte optimiert.
Die Aktivitäten im Bereich Katalyse und Prozesse für nachhaltige Kraftstoffe umfassen die Entwicklung von Kraftstoffen aus erneuerbaren Rohstoffen, die dazugehörigen analytischen Methoden und die Entwicklung neuer heterogener Katalysatorsysteme zur Herstellung der Kraftstoffe. Die Arbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Katalyse und Prozesse für die CO2-Fixierung.
Einen Schwerpunkt bildet die Synthese sauerstoffhaltiger Kraftstoff(additive)e, sogenannter Oxygenatkraftstoffe. Ein prominentes Beispiel sind die Oxymethylenether (OME). Diese stellen alternative Dieselkraftstoffe dar, die eine deutliche Minderung schädlicher Emissionen, insbesondere Ruß und NOx, ermöglichen. Sie können aus erneuerbaren Rohstoffen, z.B. über die Zwischenprodukte Methanol bzw. Dimethylether (DME), gewonnen werden. Entscheidend sind hierbei Herstellverfahren mit hoher Energieeffizienz und Atomökonomie. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Gewinnung von Spezialkraftstoffen auf Basis von Kohlenwasserstoffen mit genau definierter Zusammensetzung und hoher Reinheit. In allen Fällen wird der Einsatz gut verfügbarer Rest- und Abfallstoffe als Rohstoffbasis angestrebt.
Neben der Herstellung von Oxygenatkraftstoffen, die überwiegend im Bereich von Dieselkraftstoffen Anwendung finden, werden auch Strategien zur Gewinnung alternativer Otto-Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen entwickelt. Ziel ist hierbei die Reduzierung bzw. vollständige Vermeidung aromatischer Kraftstoffkomponenten, die im Wesentlichen für die Bildung schädlicher Partikelemissionen verantwortlich sind. Dabei soll die Kraftstoffperformance nicht oder so wenig wie möglich beeinträchtigt werden, so dass gängige Normen erfüllt und beibehalten werden können. Die Arbeiten werden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Katalyse und Prozesse für die CO2-Fixierung durchgeführt.