Wasser in den Kraftstofftank: Natürliche Emissionssenkungen durch Nanotechnologie
Mobilität ökologisch und ökonomisch vorteilhaft gestalten: Mit Hilfe der Nanotechnologie lassen sich fossile Kraftstoffe, wie Diesel, in vorhandenen Antriebssystemen effizienter und umweltschonender einsetzen.
Der Schlüssel liegt in der Modifizierung des Kraftstoffs durch die Zugabe von Wasser. Dieses wird in Form winzigster, nanometer-feiner Strukturen im Kraftstoff verteilt und die Wasseroberfläche durch eine Schicht aus Tensidmolekülen (ein Tensidfilm) von der Ölkomponente abgeschirmt. Durch diesen Effekt ist die nanodisperse Mischung thermodynamisch stabil (im Gegensatz zu einer herkömmlichen Emulsion, die sich nach einer gewissen Zeit unweigerlich wieder in eine Öl- und eine Wasserkomponente trennt). In der dieselmotorischen Verbrennung werden sowohl Ruß- als auch Stickoxidemissionen gleichzeitig deutlich reduziert. Das so genannte "Diesel-Dilemma", eine gegenläufige Entwicklung von Ruß- und Stickoxidemissionen, kann somit vermieden werden. Zudem erweist sich der Einsatz von Wasser in der Verbrennung als verbrauchsneutral, d.h. es entsteht keine zusätzliche Menge an klimaschädlichen CO2-Emissionen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zur weit verbreiteten Rußfilter-Technologie dar. Die Wasserzugabe zum Kraftstoff setzt bereits in einer Vermeidung von Rohemissionen an und macht so eine aufwendige und effizienzsenkende Abgasnachbehandlung größtenteils überflüssig.
Solche nanodispersen, thermodynamisch stabilen Mischungen werden aus historischen Gründen als "Mikroemulsion" bezeichnet. Diese Namensgebung führt immer wieder zu Missverständnissen. Zum Einen liegt die Größenordnung der Wasserdomänen in einer Mikroemulsion im Nano- und nicht im Mikrometerbereich vor. Sie sind also deutlich kleiner. Zum Anderen garantiert diese Art von Mischung eine molekulardisperse Vermischung von Wasser und Kraftstoff im Gasraum, was den Verbrennungsprozess unerreicht positiv beeinflusst. Zur Herstellung solcher Wasser-Diesel Mikroemulsionen (hydroFUEL) ist nur ein minimaler Energieeintrag nötig, die Komponenten müssen lediglich vermischt werden. Der Wasseranteil lässt sich beliebig variieren. Die Flexibilität und Stabilität dieser Gemische erlaubt eine Verwendung als tankfertiger Kraftstoff und die "on-board"-Herstellung unmittelbar vor dem Verbrennungsprozess im Fahrzeug.
An der Realisierung dieser Idee arbeiten die Wissenschaftler am Lehrstuhl Prof. Dr. Reinhard Strey im Department für Chemie der Universität zu Köln bereits seit 2003. Seitdem konnte das Forschungsfeld auf verschiedenste Kraftstoffarten übertragen werden. Neben Diesel werden Mikroemulsionen mit Benzin und mit Biokraftstoffen der ersten (Rapsöl und Biodiesel) und zweiten Generation (Fischer-Tropsch Kraftstoffe) formuliert. Aktuell forscht man daran, dem Dieselmotor wasserhaltigen Kraftstoff mit frei wählbarem Wassergehalt zur Verfügung zu stellen. Das Ziel: die notwendige Abgasnachbehandlung auf ein Minimum zu reduzieren, um den immer strenger werdenden Abgasnormen zu entsprechen.
Vom 19. bis 23. April 2010 stellt das Department für Chemie der Universität zu Köln das Forschungsprojekt "Nanotechnologie in Kraftstoffen" mit der Wasser-Diesel Mikroemulsion hydroFUEL auf der Hannover Messe vor.
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