DE102020114494A1

DE102020114494A1 - Kraftstoffmischung mit verbesserter CO2- Bilanz

Info

Publication number: DE102020114494A1
Application number: DE102020114494.6A
Authority: DE
Inventors: Lars Wittenbecher; Maik Hendler
Original assignee: VNG AG
Current assignee: VNG AG
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Kraftstoffmischung enthaltend fossilen Kraftstoff, hydriertes Pflanzenöl, und aus Fettsäuremethylestern erzeugten Kraftstoff, ist dadurch gekennzeichnet, dass der fossile Kraftstoff vorbehandelt ist, indem er mit einem Alkan-haltigen Fluid an einem Metall bei einer erhöhten Temperatur oberhalb von 60°C in Kontakt gebracht wurde, und der regenerative Anteil der Mischung aus behandeltem fossilen Kraftstoff, hydriertem Pflanzenöl und aus Fettsäuremethylestern erzeugtem Kraftstoff höher als 33 Masse-% ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffmischung enthaltend:

(a) fossilen Kraftstoff,
(b) hydriertes Pflanzenöl, und
(c) aus Fettsäuremethylestern erzeugten Kraftstoff.

Kraftstoffe dienen zur Erzeugung mechanischer Energie durch Verbrennung, etwa zur Fortbewegung oder zum Antrieb von Maschinen. Fossile Kraftstoffe sind Brennstoffe, die in geologischer Vorzeit aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren entstanden sind. Beispiele für fossile Kraftstoffe sind neben Braunkohle, Steinkohle, Torf und Erdgas auch Erdöl. Insbesondere Erdöl wird in Form von Diesel und Benzin als Kraftstoff für Fahrzeuge eingesetzt.
Während in der Vergangenheit typischerweise fossile Kraftstoffe verwendet wurden, so fordert die Endlichkeit der Ressourcen und der mit der Verbrennung einhergehende CO₂-Ausstoß auf Dauer Kraftstoffe aus nachhaltigen Quellen und eine effizientere Nutzung der Kraftstoffe.
Stand der Technik
Kommerziell genutzt wird sogenannter „Biodiesel“, der im Wesentlichen aus Fettsäuremethylester (FAME) besteht. Biodiesel wird aus Pflanzenölen, insbesondere Soja-, Raps-, Kokosnuss- und Palmöl erzeugt.
Unter dem Handelsnamen C.A.R.E Diesel ist ein paraffinischer Kraftstoff aus Altspeisefetten, Reststoffen aus der Pflanzenölverarbeitung und nicht mehr verkäuflichen technischen Pflanzenölen bekannt. Unter der Abkürzung HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) ist hydriertes Pflanzenöl bekannt, welches unter dem Handelsnamen „Diesel regenerativ“ zusammen mit Biodiesel ebenfalls als Kraftstoff getestet wurde. Der Kraftstoff hat etwas höhere Stickoxid-Emissionen als Diesel aus fossilen Quellen und eine Dichte von 780 kg/m³ bei 15°C. Er entspricht daher nicht den Anforderungen der Norm EN 590.
Daneben gibt es eine Reihe anderer nachhaltiger Kraftstoffe, etwa Bioethanol, Biomethan/Biogas. Nachteilig bei diesen Kraftstoffen ist es, dass sie nicht in herkömmlichen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Sie stellen somit keine Drop-in-Lösung dar, bei der fossiler Kraftstoff ohne Veränderungen am Motor oder an der Maschine vollständig ersetzt werden kann. Die Anforderungen an einen Kraftstoff sind in der Norm EN 590 aufgeführt. Danach ist die volumetrische Beimischungsquote von Biodiesel in herkömmlichem Diesel aus fossilen Quellen auf maximal 7% begrenzt. Die Mindestdichte bei 15°C ist auf 820 kg/m³ festgelegt.
Unter dem Handelsnamen „R33 BlueDiesel“ der Volkswagen AG, Wolfsburg ist ein normgerechter Kraftstoff bekannt, welcher aus Biokraftstoff auf der Basis von gefiltertem und gereinigtem Altspeisefett hergestellt wird. Aus dem Altspeisefett wird durch Hydrierung HVO hergestellt, welcher herkömmlichem, fossilen Diesel beigemischt werden kann. Auf diese Weise wird mit 26 % hydriertem Pflanzenöl (HVO) und 7% Biodiesel ein Anteil von bis zu 33 Prozent aus regenerativen Quellen erreicht. Die verbleibenden 67% des Kraftstoffs sind herkömmlicher fossiler Dieselkraftstoff. Die Reduktion des CO₂-Ausstoßes gegenüber Diesel aus fossilen Quellen beträgt etwa 20%. Bei weiterer Erhöhung des Anteils aus regenerativen Quellen werden die Anforderungen der Norm EN 590 nicht mehr erreicht.
EP 2 473 584 B1 offenbart ein Verfahren zur Erhöhung des Anteils an Fraktionen mit niedrigem Siedepunkt in Rohöl. Dabei wird Erdgas mit dem Rohöl und einem Metallkatalysator bei erhöhter Temperatur, aber unterhalb der Siedetemperatur des Rohöls kontaktiert. Das Verfahren arbeitet ausschließlich mit fossilen Brennstoffen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine normgerechte Kraftstoffmischung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher der CO₂-Ausstoß weiter gesenkt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass

(d) der fossile Kraftstoff vorbehandelt ist, indem er mit einem Alkan-haltigen Fluid an einem Metall bei einer erhöhten Temperatur oberhalb von 60°C in Kontakt gebracht wurde, und
(e) der regenerative Anteil der Mischung aus behandeltem, fossilen Kraftstoff, hydriertem Pflanzenöl und aus Fettsäuremethylestern erzeugtem Kraftstoff höher als 33 Masse-% ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der fossile Anteil der Kraftstoffmischung ähnlich wie in der EP 2 473 584 B1 beschrieben vorbehandelt. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass dadurch die Reichweite in Kraftfahrzeugen im Vergleich zu R33 Blue Diesel erhöht und somit die CO₂-Bilanz weiter verbessert werden kann. Neben der höheren Reichweite von Fahrzeugen hat die erfindungsgemäße Kraftstoffmischung den Vorteil geringerer Emissionen. Insbesondere werden weniger Ruß und weniger Stickoxide emittiert. Entsprechend sind Stickoxid-verringernde Zusätze, wie sie unter der Bezeichnung „AdBlue“ in Form einer Harnstofflösung bekannt sind, nicht erforderlich. Die Leistung und Verwendbarkeit der Kraftstoffmischung ist über große Bereiche temperaturunabhängig. Es ist also keine Anpassung an die Jahreszeiten erforderlich, wie dies derzeit mit Winterdiesel der Fall ist.
Es versteht sich, dass die Kraftstoffmischung dennoch durch Additive ergänzt werden kann. Je nach Verwendung, Jahreszeit und Anforderungen an Leistung und Emissionsprofil können beispielsweise herkömmliche Dieseladditive wie Biozide (z.B. 3,3'-Methylenbis[5-Methyloxazolidin], 1,2-Benzisothiazol), Farbstoffe, Cetanzahl-Verbesserer (z.B. 2-Ethylhexylnitrat), Fließ- und Viskositätsverbesserer und weitere Komponenten wie 2-Ethylhexanol, Methylsalicylat zugefügt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kraftstoffmischung eine Mindestdichte bei 15°C von 780 kg/m³ , vorzugsweise 800 kg/m³ und höchst vorzugsweise 820 kg/m³ entsprechend der derzeit gültigen Norm EN 590 hat. Dann kann die Kraftstoffmischung als Drop-In-Lösung herkömmliche Kraftstoffe auf ausschließlich fossiler Basis ersetzen.
Der fossile Kraftstoff ist vorzugsweise bei einer Temperatur von 15°C und einem Druck von 1 bar flüssig. Insbesondere kann der fossile Kraftstoff Diesel sein.
Der regenerative Anteil der Mischung aus behandeltem fossilen Kraftstoff kann zumindest teilweise aus Altspeisefett, Speisefett, Rapsöl, technischen Ölen oder aus Ölen oder Fetten tierischer Herkunft erzeugt werden. Es versteht sich, dass jede andere, nicht-fossile Basis anderer Herkunft mit vergleichbaren Eigenschaften ebenfalls geeignet sein kann.
Zumindest ein Alkan in dem Alkan-haltigen Fluid zur Vorbehandlung des fossilen Kraftstoffs ist vorzugsweise Methan. Dann entspricht die Vorbehandlung der Vorbehandlung, die in EP 2 473 584 B1 beschrieben ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Alkan in dem Alkan-haltigen Fluid zur Vorbehandlung des fossilen Kraftstoffs zumindest mit einem Volumenanteil von 30%, vorzugsweise 40% und höchst vorzugsweise 50% nicht-fossiler Herkunft ist und insbesondere aus Vergärung oder Fermentierung von Biomasse oder aus anderen regenerativen Quellen, insbesondere Power-to-Gas-Verfahren gewonnen wird. Insbesondere kann das Alkan-haltige Fluid ein Gas sein, welches wenigstens 50 Vol.-% Methan nicht-fossiler Herkunft enthält. Dadurch wird der regenerative Anteil in der Kraftstoffmischung erhöht und die CO₂-Bilanz weiter verbessert.
Das Metall, an welchem der fossile Kraftstoff mit einem Alkan-haltigen Fluid in Kontakt gebracht wird kann Kobalt, Nickel, Wolfram, Chrom, Aluminium oder ein anderes Übergangsmetall, eine Legierung oder Mischung daraus sein. Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Übergangsmetall oder die Legierung von Wicklungen auf einem Eisengerüst gebildet ist. Es versteht sich, dass die Kontaktierung auch auf andere Weise, etwa ohne Eisengerüst, erfolgen kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Vorbehandlung des fossilen Kraftstoffs bei einer Temperatur oberhalb von 80°C und unterhalb der Siedetemperatur der fossilen Kraftstoffkomponente erfolgt. Die Vorbehandlung kann beispielsweise bei 150°C bis 200°C erfolgen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kraftstoffmischung enthaltend fossilen Kraftstoff, hydriertes Pflanzenöl, und aus Fettsäuremethylestern erzeugten Kraftstoff, umfasst die Schritte:

(d) Vorbehandeln des fossilen Kraftstoffs, indem er mit einem Alkan-haltigen Fluid an einem Metall bei einer erhöhten Temperatur oberhalb von 60°C in Kontakt gebracht wird, und
(e) Erzeugen einer Kraftstoffmischung, bei welcher der regenerative Anteil der Mischung aus behandeltem fossilen Kraftstoff, hydriertem Pflanzenöl und aus Fettsäuremethylestern im erzeugtem Kraftstoff höher als 33 Masse-% ist.

Die Kraftstoffmischung eignet sich beispielsweise als Kraftstoff für Fahrzeuge, Schiffe oder Flugzeuge oder als Heizölersatz entsprechend den Normen DIN 51603-1 oder EN 590.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Definitionen
In dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen haben alle Begriffe eine dem Fachmann geläufige Bedeutung, welche der Fachliteratur, Normen und den einschlägigen Internetseiten und Publikationen, insbesondere lexikalischer Art, beispielsweise www.Wikipedia.de, www.wissen.de, EN590, DIN 51603-1, der Wettbewerber, forschenden Institute, Universitäten und Verbände, beispielsweise VDA oder VDI, dargelegt sind. Insbesondere haben die verwendeten Begriffe nicht die gegenteilige Bedeutung dessen, was der Fachmann den obigen Publikationen entnimmt.

Weiterhin werden hier folgende Bedeutungen für die verwendeten Begriffe zugrunde gelegt:

Addblue	Marke des Verbands der Automobilindustrie für Produkte und Dienstleistungen in Bezug auf die Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren mittels Harnstofflösung.
Biodiesel	Kraftstoff, der in der Verwendung dem fossilen Diesel gleichkommt, aber durch Umesterung pflanzlicher oder tierischer Fette und Öle erzeugt wird. Biodiesel besteht im Wesentlichen aus Fettsäuremethylester.
Diesel	Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, das für einen Dieselmotor oder Schiffsdieselöl geeignet ist.
FAME	Fettsäuremethylester
Fossile Kraftstoffe	Brennstoffe, die in geologischer Vorzeit aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren entstanden sind.
HVO	Hydriertes Pflanzenöl, hergestellt aus Pflanzenölen durch katalytische Reaktion mit Wasserstoff. Handelsnamen von HVO sind Neste MY Renewable Diesel und C.A.R.E. Diesel
Kraftstoff	Kraftstoffe dienen zur Erzeugung mechanischer Energie durch Verbrennung, etwa zur Fortbewegung oder zum Antrieb von Maschinen.
nachhaltig	nachhaltiges Handeln nach dem die dauerhafte Bedürfnisbefriedigung durch Bewahrung der natürlichen Regenerationsfähigkeit der beteiligten Systeme, d.h. Lebewesen und Ökosysteme, gewährleistet ist.
regenerative	Energien auch erneuerbare Energien sind Energiequellen, die im menschlichen Zeithorizont für nachhaltige Energieversorgung praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Zur Herstellung eines Drop-In Kraftstoffs zum Ersatz von fossilem oder überwiegend fossilem Dieselkraftstoffs wird zunächst fossiler Dieselkraftstoff vorbehandelt. Zur Vorbehandlung wird Methan oder ein Gas mit einem Methan-Anteil von mehr als 50 Vol.% organischer Herkunft in einen Reaktor eingetragen, in welchem sich der fossile Dieselkraftstoff befindet. In dem Reaktor befindet sich ein Metallkatalysator aus einem Übergangsmetall. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Übergangsmetall Kobalt, Nickel, Wolfram, Chrom oder Aluminium. Es versteht sich, dass auch andere Übergangsmetalle oder mehrere dieser Übergangsmetalle in einer Legierung oder an verschiedenen Orten in dem Reaktor verwendet werden können. Der Metallkatalysator liegt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form von Wicklungen um ein Eisengitter vor. Es versteht sich, dass auch andere Formen geeignet sein können, etwa Granulat, Pellets oder dergleichen. Die Reaktionstemperatur in dem Reaktor liegt bei 150 bis 200°C. Das Reaktionsprodukt wird aufgefangen und ggf. kondensiert. Durch die Vorbehandlung wird ein Reaktionsprodukt mit einem Anteil an regenerativ erzeugten Kohlenwasserstoffen erhalten.
Der so vorbehandelte Diesel wird mit HVO und FAME (Biodiesel) im Masseverhältnis 71:22:7 gemischt. Der regenerative Anteil im vorbehandelten Diesel beträgt mindestens 4 Masse-% entsprechend etwa 3 Masse-% an der Gesamtmischung. Es können ferner noch übliche Zusätze hinzugefügt werden. Die Kraftstoffmischung hat bei 15° eine Dichte oberhalb von 820 kg/m³ und entspricht den Anforderungen der EN590. Damit kann sie auf einfache Weise herkömmlichen Diesel ersetzen, ohne dass Änderungen an Motoren und Maschinen vorgenommen werden müssen. Die Reichweite des Kraftstoffs bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen ist gegenüber herkömmlichen, bekannten Kraftstoffen erhöht. Stickoxid-Emissionen sind verringert. Dadurch sind keine Zusatzstoffe zur AbgasNachbehandlung erforderlich.
Durch den regenerativen Anteil im vorbehandelten Diesel wird die CO₂-Bilanz der Kraftstoffmischung gegenüber beispielsweise dem eingangs diskutierten R33 BlueDiesel signifikant verbessert.
Mit einer Erhöhung des HVO Anteils auf 25 % ein Mischungsverhältnis 68:25:7 wird eine Dichte von 820 kg/m³ erreicht. Je nach Norm können auch Mischungsverhältnisse mit einem höheren HVO-Anteil realisiert werden. Beispielsweise bei einem Mischungsverhältnis von 59:8:33 liegt die Dichte bei 819 kg/m³. Das bedeutet einen regenerativen Anteil von über 43%.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2473584 B1 [0008, 0011, 0016]

Claims

Kraftstoffmischung enthaltend: (a) fossilen Kraftstoff, (b) hydriertes Pflanzenöl, und (c) aus Fettsäuremethylestern erzeugten Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass (d) der fossile Kraftstoff vorbehandelt ist, indem er mit einem Alkan-haltigen Fluid an einem Metall bei einer erhöhten Temperatur oberhalb von 60°C in Kontakt gebracht wurde, und (e) der regenerative Anteil der Mischung aus behandeltem fossilen Kraftstoff, hydriertem Pflanzenöl und aus Fettsäuremethylestern im erzeugtem Kraftstoff höher als 33 Masse-% ist.
Kraftstoffmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffmischung eine Mindestdichte bei 15°C von 780 kg/m³ , vorzugsweise 800 kg/m³ und höchst vorzugsweise 820 kg/m³ hat.
Kraftstoffmischung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der fossile Kraftstoff bei einer Temperatur von 15°C und einem Druck von 1 bar flüssig ist.
Kraftstoffmischung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der fossile Kraftstoff Diesel, Kerosin oder Gasöl ist.
Kraftstoffmischung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Fettsäuremethylester erzeugte Kraftstoff zumindest teilweise aus Altspeisefett, Speisefett, Rapsöl, technischen Ölen oder aus Ölen oder Fetten tierischer Herkunft erzeugt wurde.
Kraftstoffmischung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Alkan in dem Alkan-haltigen Fluid zur Vorbehandlung des fossilen Kraftstoffs Methan ist.
Kraftstoffmischung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkan in dem Alkan-haltigen Fluid zur Vorbehandlung des fossilen Kraftstoffs zumindest mit einem Volumenanteil von 30%, vorzugsweise 40% und höchst vorzugsweise 50% nicht-fossiler Herkunft ist.
Kraftstoffmischung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkan in dem Alkan-haltigen Fluid zur Vorbehandlung des fossilen Kraftstoffs zumindest mit einem Volumenanteil von 30%, vorzugsweise 40% und höchst vorzugsweise 50% nicht fossiler Herkunft aus Vergärung oder Fermentierung von Biomasse oder anderer organischer Herkunft ist.
Kraftstoffmischung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkan-haltige Fluid ein Gas ist, welches wenigstens 50 Vol.-% Methan nicht-fossiler Herkunft enthält.
Kraftstoffmischung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall, an welchem der fossile Kraftstoff mit einem Alkan-haltigen Fluid in Kontakt gebracht wurde, Kobalt, Nickel, Wolfram, Chrom, Aluminium oder ein anderes Übergangsmetall, eine Legierung oder Mischung daraus ist.
Kraftstoffmischung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsmetall oder die Legierung von Wicklungen auf einem Eisengerüst gebildet ist.
Kraftstoffmischung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung des fossilen Kraftstoffs bei einer Temperatur oberhalb von 80°C und unterhalb der Siedetemperatur der fossilen Kraftstoffkomponente erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Kraftstoffmischung nach einem der vorgehenden Ansprüche enthaltend (a) fossilen Kraftstoff, (b) hydriertes Pflanzenöl, und (c) aus Fettsäuremethylestern erzeugten Kraftstoff, gekennzeichnet durch die Schritte (d) Vorbehandeln des fossilen Kraftstoffs, indem er mit einem Alkan-haltigen Fluid an einem Metall bei einer erhöhten Temperatur oberhalb von 60°C in Kontakt gebracht wird, und (e) Erzeugen einer Kraftstoffmischung, bei welcher der regenerative Anteil der Mischung aus behandeltem fossilen Kraftstoff, hydriertem Pflanzenöl und aus Fettsäuremethylestern erzeugtem Kraftstoff höher als 33 Masse-% ist.
Verwendung einer Kraftstoffmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Kraftstoff für Fahrzeuge, Schiffe oder Flugzeuge oder als Heizölersatz.