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CO2-neutrale und emissionsarme verbrennungsmotorische Mobilität

 

Zur Erreichung der Ziele der Energiewende orientiert sich die Bundesregierung auch an der EU Energy Roadmap, die eine CO2-Reduktion bis 95 % im Jahre 2050 gegenüber 1990 fordert, um den notwendigen Beitrag zum Klimaziel, die Erderwärmung auf höchstens 2 K zu begrenzen, zu leisten. Das Ziel für den Verkehrssektor ist, die verkehrsbedingten CO2-Emissionen bis 2050 gegenüber 1990 um 67 % und gegenüber 2010 um 75 % zu reduzieren.

Studien [1] gehen dabei davon aus, dass in absehbarer Zeit der Verbrennungsmotor und flüssige Kraftstoffe weiterhin wegen ihrer sehr hohen Energiedichte im mobilen Bereich dominieren werden, ganz besonders im Bereich Nutzkraftfahrzeuge.

Die zu Grunde liegende Energiewende und die damit einhergehende Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie (MKS) der Bundesregierung hat sich das energiepolitische Dreieck zum Ziel gesetzt:

Energiepolitisches Dreieck

Energiepolitisches Zieldreieck der Bundesregierung

 

Eine Studie des Umweltbundesamts vom April 2015 zeigt Wege zu postfossilen Energieversorgungsoptionen für einen treibhausgasneutralen Verkehr im Jahr 2050 auf [2].

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den verbrennungsmotorischen Antrieb vom Kraftstoff bis zum Motor einschließlich Betriebsstrategie zu optimieren mit dem Ziel einer erheblichen Effizienzsteigerung bei gleichzeitiger Emissionsminimierung.

Laseruntersuchung_Brennverhalten
Untersuchung des Brennverhaltens am Motor mittels Laser


Im Rahmen des Projekts sollen daher vielfältige Optimierungspotentiale untersucht werden. Zunächst sollen maßgeschneiderte postfossile Flüssigkraftstoffe aus erneuerbaren Rohstoffen synthetisiert werden, wobei ein besonderes Augenmerk auf der Emissionsminderung durch Einsatz der Kraftstoffe liegen soll. Dabei sind Energiegehalt und Blendverhalten der postfossilen Kraftstoffe zu untersuchen.

Brennvergleich Diesesl OME
Vergleich des Brennverhaltens und der Rückstände von Synthesekraftstoff OME (links) und Diesel (rechts)


Gleichzeitig muss hierbei auch die Interaktion der postfossilen Kraftstoffe mit dem Ölfilm im Brennraum und Einfluss auf die Tribologie, besonders mit Blick auf reibungsarme tribologische Paarungen genauer betrachtet werden. Das Ziel ist die Minimierung der Reibungsverluste zwischen Kolbenring und Zylinder, wofür sowohl neue Oberflächenschichten als auch Endbearbeitungsverfahren erprobt werden sollen.

Eine weitere Optimierungsmöglichkeit bietet die Entflammung der postfossilen Kraftstoffe. Hierfür sollen Systeme auf Basis einer Funken-, Plasma-, oder Oberflächentemperatur-Zündung erprobt und bewertet werden.

Verbrennungsprozess Motor
Grafische Aufbereitung des Verbrennungsprozesses im Motor


Parallel ist geplant, ein Einhubtriebwerk und einen Transparentmotor für die gezielte Untersuchung der Verbrennung postfossiler Synthesekraftstoffe aufzubauen.

CAD-Zeichnung Erprobungstriebwerk
CAD-Konstruktionszeichnung Einzylinder Erprobungstriebwerk

 

Wissenschaftspartner

KIT Institut für Kolbenmaschinen (IFKM)

KIT Institut für Katalyseforschung und –technologie (IKFT)

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM)

 

Quellen:

[1] Shell. Shell PKW-Szenarien bis 2040. 2014.

[2] UBA-Studie. Postfossile Energieversorgungsoptionen für einen Treibhausgas neutralen Verkehr im Jahr 2050. 2015