2-Butanol als Ersatzkraftstoff: Forschung, E-Fuel, Alkohol, Verbrenner, E-Mobilität

Auf Elektroautos wie dem Corsa-e liegt aktuell der Fokus der Industrie.

Bild: Opel Automobile GmbH

Ohne den Individualverkehr klappt es auch mit der Energiewende nicht. Mit dem Pariser Klimaabkommen haben sich die teilnehmenden Länder zum Ziel gesetzt 80 Prozent CO2 bis zum Jahr 2050 einzusparen. Laut Umweltbundesamt war der Verkehrssektor 2018 für mehr als 19 Prozent der erzeugten Treibhausgase in Deutschland verantwortlich. Automobilhersteller sind daher gefragter denn je neue Antriebe zu entwickeln oder bereits bestehende Konzepte in die Neuzeit zu überführen. Wichtig ist hierbei der Verzicht auf fossile Kraftstoffe. 2018 waren in Deutschland rund 47 Millionen Kraftfahrzeuge zugelassen, etwa zwei Drittel mit Benzin- und ein Drittel mit Dieselmotor. Antriebsarten wie Gas- oder Elektromotoren brachten es damals nur auf einen sehr geringen Anteil. Das ändert sich durch Programme wie die Umweltprämie und verbesserte Reichweiten zwar allmählich, trotzdem bleibt ein großer Teil der Verbrenner als Altbestand auf der Straße. Das Durchschnittsalter der in Deutschland zugelassenen Autos betrug 2018 nämlich 9,4 Jahre. Hier kommen die E-Fuels ins Spiel. Mit ihnen ist es theoretisch möglich, einen Großteil der bestehenden Autos auf unseren Straßen zumindest annähernd CO2-neutral zu bekommen. Neben Biokraftstoffen, hydriertem Pflanzenöl oder synthetisch hergestellter Kohlenwasserstoffe stehen auch Alkohole wie 2-Butanol im Fokus der Entwicklung.

E-Fuels benötigen erneuerbare Energien, damit sie CO2-neutral agieren können. Kohlestrom ist dafür ungeeignet.

Bild: DPA

2-Butanol ist in der Industrie kein neuer Ausgangsstoff, ist er bereits Bestandteil von Farbverdünnern und Bremsflüssigkeiten. Ein alter Bekannter möchte man meinen, bei der Suche nach alternativen Kraftstoffen genießt der Alkohol allerdings erst sein einigen Jahren die Aufmerksamkeit der Forscher. Warum genau dieser Alkohol als Benzinersatz dienen könnte, zeigt ein Blick auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften. Mit einer Oktanzahl von 105 ist der Kraftstoff klopffester als klassisches Super-Benzin (Oktanzahl 95). Das erlaubt den Ingenieuren beim Bau neuer Motoren mit einer höheren Verdichtung zu arbeiten, was für eine höhere Effizienz sorgt und somit auch zu weniger Verbrauch führt. Bestehende Motoren kommen mit höheren Oktanzahlen dank Motorkennfeldern und Klopfsensoren grundsätzlich ohnehin zurecht. Für den Ersatzkraftstoff spricht zudem seine auf das Volumen gerechnete Energiedichte. Sie ist nur rund vier Prozent geringer als bei Benzin, somit ist 2-Butanol mit herkömmlichen Kraftstoffpumpen und Einspritzdüsen kompatibel. Ein weiterer Vorteil ist die geringere Flüchtigkeit von Butanol. Der Alkohol verdunstet erst bei einer Temperatur von 99,5 Grad Celsius, klassischer Kraftstoff verdunstet bereits ab einer Temperatur von 30 Grad Celsius.

Auch wenn die chemischen und physikalischen Eigenschaften vielversprechend wirken, getestet werden muss aber trotzdem. Wie im modernen Maschinenbau üblich, stehen hierbei erst einmal Simulationen an. Dabei testete das Opel-Team unter anderem das Sprühbild von 2-Butanol im Zylinder und unterschiedliche Einspritzmuster. Allerdings unterliegt normales Benzin Qualitätsschwankungen, da es aus unterschiedlichen Komponenten besteht und je nach Jahreszeit, Additiven und abhängig von der Raffinerie andere Eigenschaften aufweisen kann. Deshalb diente als Vergleichsstoff n-Heptan. Dieser Stoff besitzt ähnliche Eigenschaften wie Benzin, besteht aber nur aus einem Bestandteil, was die Vergleichbarkeit gewährleistet.

Dieser Motor, der auch im Grandland X arbeitet, diente den Forschern als Versuchsmotor.

Bild: Adam Opel AG

Nachdem sich 2-Butanol in den Simulationen bewährt hat und die Ingenieure bei Opel Parameter für den Betrieb in einem Motor festgelegt haben, starteten die ersten Test mit einem echten Motor auf dem Prüfstand. Hier diente ein 1,2-Liter-Dreizylinder-Benziner mit 100 kW den Forschern als Versuchsobjekt. Besonders spannend: Am Motor wurden für die ersten Versuche keine Modifikationen gemacht. Es handelt sich also um den Serienzustand des Aggregats. Getestet wurde mit 100 Prozent 2-Butanol sowie Mischungen aus Butanol und Benzin mit 95 Oktan. Dabei waren alle Kombinationen machbar und erlaubten den Betrieb des Motors. Es zeigte sich, dass reines Butanol einen höheren Verbrennungsdruck erzeugt als klassisches Benzin, zeitgleich verringert sich die Brenndauer. Der höhere Druck hat nach Aussagen der Opel-Ingenieure beim Versuchsmotor keine Probleme bereitet, alle Komponenten hielten Stand, allerdings sollten die höheren Drücke in der Konstruktion eines neuen Motors abgefangen werden. Hierzu zählen laut den Opel-Ingenieuren beim Versuchs-Dreizylinder die Pleuel und dessen Lagerschalen sowie die Lager der Kurbelwelle. Mit den Anpassungen wäre sogar ein noch höherer Verbrennungsdruck möglich, womit die Effizienz unter 2-Butanol nochmals steigern könnte.
 
Was die thermische Belastung angeht, konnte der Motor mit dem Serienkühlsystem im Temperaturfenster gehalten werden. Bei Betrieb mit reinem Butanol wurde sogar eine Reduktion der Abgastemperatur von bis zu 100 Grad Celsius gemessen, was vor allem den nachfolgenden Turbolader entlastet. Bei einem warmen Motor und klar definierten Betriebspunkten funktioniert der Umstieg schon einmal, das lässt die Forscher mit Blick auf weitere Anforderungen positiv in die Zukunft blicken.

Anstelle von klassischem Benzin spritzen die Forscher entweder eine Gemisch oder reines 2-Butanol ein.

Bild: Bosch

Mischt man konventionelles Benzin mit 2-Butanol, fungiert der Alkohol im Versuchsumfeld als eine Art Stellschraube für die CO2-Reduktion. Je höher der 2-Butanol-Anteil im Gemisch ist, desto weniger CO2 setzt die Verbrennung frei. Gleichzeitig erlaubt die höhere Oktanzahl eines solchen Gemischs die Nutzung in hochverdichteten effizienten Motoren, was den Verbrauch senken kann. Im Mischungsverhältnis von sechs Prozent beziehungsweise fünfzehn Prozent sind sogar Mischungen denkbar, die in die aktuelle Kraftstoffnorm für Ottokraftstoffe fallen. Somit wäre eine Alternative zum jetzigen E5 und E10 denkbar, dem bereits heute Ethanol beigemischt wird. Wichtig ist allerdings, dass 2-Butanol nur solange CO2-Neutral ist, wie es durch erneuerbare Energie hergestellt wird. Ob das in Zukunft gewährleistet werden kann, hängt weniger von der Automobilindustrieb ab, als vom zukünftigen Energiemix in Deutschland. Auch das Produktionsverfahren spielt hier eine Rolle, hier müssen chemische Verfahren entwickelt werden, die eine maximal CO2-neutrale Produktion erlauben.

Neben E-Motor und E-Fuel setzten manche Hersteller auch auf Wasserstoff, wie Hyundai mit dem Nexo.

Bild: Hyundai Motor Deutschland

Ist 2-Butranol also der neue Kraftstoff der Zukunft und rettet den Verbrenner vor dem Aus? Vielleicht! Die Forschungsergebnisse von Opel sind vielversprechend und zeigen das hohe Potenzial des E-Fuels. Wenn die Verträglichkeit von 2-Butanol mit den aktuell üblichen Materialein gewährleistet wird, ist auch der Einsatz in bestehenden Motoren denkbar. Hier müssen allerdings noch weitere Forschungsergebnisse abgewartet werden. Bislang stand der Versuchsmotor nur auf dem Prüfstand, dynamische Tests müssen noch folgen. Ein Nachteil von 2-Butanol ist zurzeit noch sein Preis. Hier kann der Kraftstoff mit herkömmlichem Benzin nicht mithalten. Es gilt also zu klären, ob Steuerbegünstigungen und die Optimierung der Herstellungsverfahren einen spürbaren Einfluss nehmen können. Auch bleibt abzuwarten, ob im dynamischen Testverlauf nicht doch noch der Bedarf zu weitreichenden Modifikationen bestehender Motoren erkannt wird.

Bis dahin bleibt es spannend. E-Fuels werden nicht den Trend zur E-Mobilität stoppen, sie können aber ein wichtiger Bestandteil im zukünftigen Antriebsmix werden und sogar ältere Fahrzeuge unter Umständen als saubere Benzin-Alternative dienen. Die Hersteller kämpfen also nicht nur an einer Front und verlassen sich auf eine Technologie, im Hintergrund wird weiter geforscht. Das gilt für alle Vertreter der Branche, nicht nur im speziellen für Opel.