So kommen alternative Kraftstoffe mit extremer Kälte zurecht

Kürzlich berichtete Power Progress über eine von der kanadischen Alberta Motor Transport Association (AMTA) durchgeführte Studie zum Einsatz von Wasserstoffkraftstoff bei extrem kalten Temperaturen.

Es zeigt sich, dass andere alternative Kraftstoffe bei sinkenden Temperaturen vor ähnlichen Herausforderungen stehen.

Jeffrey D. Naber, Richard & Elizabeth Henes-Professor für Energiesysteme an der Michigan Technological University, verwendete fossilen Diesel in Motoren mit Kompressionszündung als Referenzpunkt.

„Dieselkraftstoff hat eine relativ geringe Flüchtigkeit“, sagte Naber. „Das bedeutet, dass er bei niedrigen Temperaturen schwer zu verdampfen und zu mischen ist. Er enthält einige Paraffine, sodass er bei niedrigen Temperaturen typischerweise zu Wachsen beginnt.“

Laut Matt Leuck, Technischer Manager für erneuerbare Straßentransporte in Nordamerika beim Hersteller nachhaltiger Kraftstoffe Neste, hängt die Eignung von Dieselkraftstoff bei kaltem Wetter von der Art der Moleküle ab, die der Kraftstoff enthält.

„Wenn Sie langkettige, schwerere Dieselmoleküle haben, gelieren diese schneller“, sagte er. „Wenn Sie kurzkettige, leichtere Dieselmoleküle haben, bleiben diese länger flüssig.“

Additive sorgen dafür, dass der Dieselkraftstoff bei niedrigeren Temperaturen für den Betrieb bei kaltem Wetter fließt, ohne dass er für den Einsatz im Sommer zu flüchtig wird, sagte Naber. Darüber hinaus gibt es noch andere Methoden, die die Zündung fördern.

„Wir verlassen uns auf die Kompressionswärme und möglicherweise noch auf einige andere Mechanismen, um die Temperaturen im Zylinder so zu erhöhen, dass der Kraftstoff eine Selbstentzündung verursacht“, sagte er.

HVO und Biodiesel

Eine Alternative zu fossilem Diesel in Kompressionszündungsmotoren ist erneuerbarer Diesel, auch bekannt als hydriertes Pflanzenöl (HVO). Leuck sagte, dass kalte Temperaturen zwar nicht wirklich bewältigt werden können, wenn erneuerbarer Diesel erst einmal produziert wurde, aber im Raffinationsprozess viel getan werden kann, um den Betrieb bei kaltem Wetter zu ermöglichen.

Neste MY Renewable Diesel an der Raststätte von KW Rastall Oil in North Brunswick, NJ. Neste hat kürzlich eine Partnerschaft mit der Gemeinde North Brunswick angekündigt, um allen Dieselfahrzeugen und -geräten der Gemeinde die Umstellung auf erneuerbaren Diesel zu ermöglichen. (Foto: KW Rastall Oil)

„Wir können grundsätzlich sagen, dass wir diese Kraftstoffqualität herstellen wollen“, sagte Leuck. „Wir können sagen, dass wir einen Trübungspunkt von X, Y oder Z erreichen wollen, und das können wir an jedem Tag der Woche erreichen, dank der Technologie, die wir im Produktionsprozess haben.“

Leuck fügte hinzu, dass der Trübungspunkt der Punkt ist, an dem sich Wachskristalle zu bilden beginnen.

Eine weitere Alternative zu fossilem Diesel ist Biodiesel, der aus ähnlichen Rohstoffen wie erneuerbarer Diesel hergestellt wird, jedoch über einen anderen Raffinationsprozess. Laut Naber verhält er sich in der bitteren Kälte jedoch nicht viel anders als fossiler Diesel.

„Biodiesel hat in der Regel lange [Kohlenwasserstoff-]Ketten und neigt genau wie Dieselkraftstoff zum Wachsen, daher gibt es bei niedrigen Temperaturen ein Problem“, sagte Naber.

Leuck sagte, dass im Gegensatz zu erneuerbarem Diesel die Möglichkeiten der Hersteller, den Biodiesel an bitterkalte Temperaturen anzupassen, durch den Raffinationsprozess und die Art der Rohstoffe eingeschränkt seien.

„Sie können den Rohstoff nur aufspalten, aber sie können nicht mehr Wasserstoff in das Kraftstoffmolekül zurückführen“, sagte Leuck und bezog sich dabei auf den Hydrotreating-Prozess bei erneuerbarem Diesel, bei dem paraffinische Kohlenwasserstoffe entstehen. Er fügte hinzu, dass der Biodieselprozess keine Isomerisierung der Moleküle zulässt, was der Schritt im Raffinationsprozess von erneuerbarem Diesel ist, der wirklich seine Kaltwettereigenschaften bestimmt.

Naber sagte, dass paraffinische Verbindungen – also solche mit langen Ketten, geradkettigen Ketten oder Isoparaffinverbindungen – eine hohe Cetanzahl aufweisen.

„Die Cetanzahl ist die charakteristische Fähigkeit zur Selbstzündung“, sagte er. „Das ist also gut. Je mehr Cetan ich habe, je mehr Paraffine ich habe, desto niedriger ist die Temperatur, bei der es zur Selbstzündung kommt.“

Er fügte hinzu: „Je nachdem, wie der erneuerbare Diesel produziert wird – auch das hängt vom Verfahren ab –, enthält er tendenziell mehr dieser langkettigen Kohlenwasserstoffe mit einer höheren Cetanzahl. Sie haben auch eine geringere Rußbildungsfähigkeit. Aber diese Kraftstoffe haben typischerweise höhere Wachspunkte.“

Optionen mit Fremdzündung

Für Ottomotoren sind auch alternative Kraftstoffe erhältlich. Ein häufig verwendeter Kraftstoff ist Ethanol, das laut Naber „eine geringe Flüchtigkeit aufweist und sich daher auch nicht für Kaltstarts eignet.“

Er fügte hinzu: „Wir könnten auf gasförmige Brennstoffe umsteigen. Der Vorteil eines gasförmigen Brennstoffs ist, dass ich ihn nicht verdampfen muss.“

Sowohl Flüssigerdgas (LNG) als auch Flüssiggas (Propan oder LPG) verdampfen unter normalen Bedingungen auch bei niedrigen Temperaturen, sagte Naber.

Ein Lagertank für Flüssigerdgas (LNG). (Foto: Adobe Stock)

„Eine der Herausforderungen bei Erdgas ist, dass es sich wie Luft abkühlt, wenn es sich ausdehnt“, sagte Naber. „Ich muss es aus dem Hochdrucktank ausdehnen, daher kann die Abkühlung ziemlich stark sein.“

Er fügte hinzu, dass Wärmetauscher dafür sorgen können, dass der in den Zylinder gelangende Kraftstoff nicht zu kalt ist.

In Verbrennungsmotoren, sagte Naber, wirke Wasserstoff ähnlich.

„Ich muss verflüssigten Wasserstoff kryogenisch speichern, oder ich könnte ihn in einem Drucktank haben“, sagte er. „Er kühlt nicht ganz so stark ab, wenn man ihn ausdehnt. Er hat andere thermodynamische Eigenschaften.“

Allerdings muss es, ebenso wie Erdgas und Flüssiggas, nicht verdampft werden.

„Ich muss es nur mischen – die richtige Menge Luft hinzufügen – und mit einem Funken entzünden“, sagte Naber.

Bei Ottomotoren liege die Herausforderung bei kalten Temperaturen darin, zum Zeitpunkt der Zündung das richtige stöchiometrische Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu erhalten, sagte Naber.

Trotz dieser Herausforderungen funktionieren Motoren bei extremer Kälte besser als viele andere Technologien.

„Wenn man an einen Motor denkt, kann dieser tatsächlich bei extremen Temperaturen betrieben werden, verglichen mit praktisch jedem anderen Gerät, das man sich vorstellen kann“, sagte Naber. „Batterien haben bei niedrigen Temperaturen Probleme. Brennstoffzellen haben bei niedrigen und hohen Temperaturen Probleme. Ein Motor ist also insgesamt ziemlich temperaturbeständig.“

Herausforderungen beim Betrieb von Wasserstoff-Lkw bei extremer Kälte. Bei Versuchen der kanadischen Alberta Motor Transport Association (AMTA) wurden vier wichtige Interessensbereiche identifiziert.

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