Design of optimal alternative fuels and their production processes

  • Entwurf optimaler alternativer Kraftstoffe und ihrer Produktionsprozesse

König, Andrea; Mitsos, Alexander (Thesis advisor); Daoutidis, Prodromos (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.SVT - Process systems engineering 17
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Zur Reduzierung der Emissionen im Verkehrssektor werden erneuerbare, nachhaltige Energieträger und effiziente Antriebstechnologien benötigt. Die damit verbundenen rohstoff-, prozess-, kraftstoff- und motortechnischen Aspekte aggregieren sich zu einer Wertschöpfungskette, die kosten-, ressourcen- und emissionseffizient gestaltet werden muss. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Aspekte der Wertschöpfungskette durch den Einsatz und die Fortentwicklung von Methoden zum (integrierten) Prozess- und Kraftstoffdesign nach Kosten und Umweltkriterien zu optimieren. Mit der optimalen Rohstoff-/Prozesswahl anfangend werden Screeningmethoden für biobasierte Prozesse um die Anwendbarkeit auf andere Rohstoffquellen und dazugehörige Prozesswegeerweitert. Dies ermöglicht Produktionsvergleiche mit strombasierten Kraftstoffspezies bzgl. Kosten und Umweltkriterien. Die Analyse der optimierten Produktionsprozesse zeigt, dass biobasierte Prozesse aufgrund der niedrigeren Rohstoffkosten zu geringeren Gesamtkosten als strombasierte Prozesse führen. Die Umwandlung von Biomasse ist jedoch oft mit hohen Kohlenstoffverlusten und energieintensiven Trennungen verbunden, wohingegen strombasierte Prozesse wenig Materialverluste und einfache Flüssig-Gas-Trennungen beinhalten können. Rohstoffkombinationen können zudem zu Synergien führen, z.B. durch Aufwertung von CO2 aus Bioethanolproduktion mittels strombasiertem H2. Die Ergebnisse des Screenings geben damit ersten Aufschluss über optimale Anwendungs- und Kombinationsmöglichkeiten von Rohstoffen für eine erneuerbare Kraftstoffproduktion. Einen Schritt weiter in der Wertschöpfungskette reicht die Bewertung von Produktionsaspekten oft nicht aus, um einen technisch machbaren (Mehrkomponenten-)Kraftstoff zu entwerfen. Stattdessen müssen auch die motorischen Kraftstoffanforderungen berücksichtigt werden. Um sowohl kosten- und emissionsoptimale Produktionswege zu ermitteln als auch motorkompatible Kraftstoffkompositionen zu gewährleisten, wird eine neue Methode zum simultanen Prozess-/Produktdesign entwickelt. Im Vergleich zu bisherigen integrierten Methoden bezieht dieser Ansatz den Energiebedarf der Produktionsprozesse ein, was eine Kosten- und Emissionsoptimierung ermöglicht. Die neue Methode wird anhand des Entwurfs von Biokraftstoffen für ultraeffiziente Motoren (UHEEs) demonstriert. Abschließend wird die Betrachtung auf den letzten Schritt der Wertschöpfungskette, die motorische Nutzung des Kraftstoffes, ausgedehnt. Dabei werden die Kraftstoffanforderungen als Bindeglied zwischen dem integrierten Prozess-/Kraftstoffdesign und der Motoranwendung verwendet, um kosten- und emissionsoptimale Motor-Kraftstoff-Kombinationen zu bestimmen. Die Analyse beinhaltet drei Ottomotortypen, eine Vielzahl von selektiven, erneuerbaren Prozesswegen und fossiles Benzin zur optionalen Beimischung. Durch separates Ausführen des neuen integrierten Designproblems für jeden Motortyp werden optimale Produktionsprozesse und dazugehörige Kraftstoffkompositionen ermittelt, die sich für den jeweiligen Motor eignen. Der Vergleich dieser optimalen Motor-Kraftstoff-Kombinationenzeigt, dass Kraftstoffe für fortgeschrittene Motoren (UHEEs und Flex-Fuel Motoren) eine bessere Kosten/Emissions-Paretoperformance haben als Kraftstoffe für konventionelle Motoren, was einen zukünftigen Technologiewechsel weg von heutigen Ottomotoren bestärkt.

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