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Vom OME-Rohprodukt zum Kraftstoff

Eigenschaften, Aufreinigung und Stabilisierung von Oxymethylenether

 
Maschinenbau und Verfahrenstechnik
OME
Oben: Unterdrückung der Kraftstoffalterung durch Radikalfänger, angezeigt durch Indikatorfarbstoff. Unten: Farbänderung durch verschiedene Verunreinigungen im OME-Kraftstoff.

Projektbeschreibung

Oxymethylenether (OME) gelten als nachhaltige Kraftstoffalternative zu aktuell verwendeten erdölbasierten Produkten. Verfügbare OME unterliegen aber meist starken Qualitätsschwankungen. Hohe Temperaturen, Licht und Verunreinigungen können die Qualität und Langzeitstabilität des Kraftstoffs zusätzlich beeinflussen. Daher wurden analytische Methoden zur genauen Bestimmung der Zusammensetzung entwickelt. Weitere wesentliche Projektbestandteile waren die gezielte Aufreinigung und Stabilisierung des OME-Kraftstoffs. Es folgten OME-Eigenschaftsoptimierungen und die Entwicklung eines Farbindikators für hohe Reinheit.

 

Motivation und Projektziele

OME-Kraftstoffe können prinzipiell CO2-neutral hergestellt werden, verbrennen nahezu rußfrei und ermöglichen auch die Reduktion der NOx-Emissionen. Aktuell unterliegen kommerziell verfügbare OME aber meist starken Qualitätsschwankungen. Zudem können unter ungünstigen Umständen in unstabilisiertem OME Problemstoffe wie Formaldehyd entstehen. Daher sind die Kenntnis der Zusammensetzung und die gezielte Aufreinigung und Stabilisierung des OME-Kraftstoffs wesentliche Voraussetzungen für eine Markteinführung.

 

Die Ziele des Forschungsvorhabens waren daher:

  1. eine verlässliche chemische Analytik zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und der jeweiligen Mengen relevanter Verunreinigungen im OME-Kraftstoff,
  2. die Entwicklung eines Tiefenverständnisses der möglichen OME-Zerfallsmechanismen,
  3. die Entwicklung effizienter Methoden zur Aufreinigung der synthetisierten OME sowie
  4. praxistauglicher Stabilisierungsmaßnahmen des alternativen OME-Kraftstoffs und
  5. eine standardisierte alltagstaugliche OME-Qualitätsprüfung für Anwender mittels Farbindikator.
Verbrennungseigenschaften OME vs. Diesel
Vergleich der Verbrennungseigenschaften von Diesel (links, starke Rußbildung) und OME (rechts, nahezu rußfrei).
 

Ergebnisse und Projekterfolge

Wesentliche identifizierte Problemstoffe sind Formaldehyd, Ameisensäure und Methanol. Besonders kritisch sind die etablierten Methoden zur Bestimmung des Formaldehydgehalts. Diese führen zu teils falschen Analysenwerten und sind oft unpräzise im niedrigen Konzentrationsbereich.

Im Projekt wurde ein verlässliches elektrochemisches Formaldehyd-Analyseverfahren für OME etabliert, welches mit geringer Querempfindlichkeit und hoher Reproduzierbarkeit präzise Konzentrationsbestimmungen zulässt. [1]

Für weitere Stör- und Fremdstoffe wurden verlässliche Analysemethoden entwickelt. Es erfolgte eine Studie der Zersetzungsmechanismen und eine Optimierung der OME-Langzeitstabilität durch Aufreinigung und Additivierung. [2]

Weiterhin wurde eine Analytik für OME in der Gasphase entwickelt. Mittels eines FT-IR-Messgeräts können gasförmig freiwerdende Zerfallsprodukte im OME quantifiziert werden, um die Produktqualität zu sichern.

Aufbauend darauf erfolgte die Ausarbeitung einer effektiven und kostengünstigen Aufreinigungsmethode. [3] Hierdurch wird ein trockener und langzeitstabiler OME-Kraftstoff erhalten. Durch die Identifizierung geeigneter Schmierfähigkeitsverbesserer erfüllt der Kraftstoff alle wesentlichen Norm-Anforderungen.

Weiterhin wurde ein maßgeschneiderter Indikator-Farbstoff entwickelt. Dieser zeigt durch Blaufärbung eine hohe Kraftstoffqualität an und ändert je nach Verunreinigung seine Farbe. Somit kann der Kraftstoffzustand einfach und schnell überprüft werden.

Analyseschema
Schematischer Aufbau zur Validierung der Gasphasenanalytik.
 

Zusammenfassung und Ausblick

Für den alternativen Kraftstoff OME wurde eine verlässliche Analytik aufgebaut. Durch das vertiefte Verständnis der Zersetzungsmechanismen, konnten maßgeschneiderte Aufreinigungs- und Stabilisierungsprozesse für OME entwickelt werden. Schließlich gelang die Entwicklung eines zuverlässigen Indikators für die benötigte Kraftstoffqualität. OME kann nun für dieselmotorische Anwendungen als Kraftstoff oder beizumischende Komponente verlässlich aufbereitet werden.

Neben den fachlichen Erfolgen und daraus resultierenden wirtschaftlichen Perspektiven für das mittelständische Unternehmen Analytik-Service GmbH (ASG), sind fünf wissenschaftliche Veröffentlichungen und drei Masterabschlüsse in Folge des Projekts an der HS Augsburg zu verzeichnen.

Zukünftig soll die Synthese alternativer Kraftstoffe durch online-Analyseverfahren optimiert werden. Hierfür wurde u.a. eine kooperativ durch Prof. Repke (TU Berlin) und Prof. Osterland (HS Augsburg) betreute Promotion von Innokentij Bogatykh vereinbart.

 

Beteiligte Personen

Prof. Dr. Thomas Osterland (Projektleitung)
Innokentij Bogatykh, M.Sc.
Tobias Goral, B.Eng.
Salome Rcheulishvili, M.Eng.

Partner und Förderer

Dr. Hendrik Stein, Dr. Thomas Wilharm
Analytik-Service GmbH (ASG)
Täfertingen
asg-analytik.de

Laufzeit

Oktober 2018 – März 2020 

Extraktive OME-Reinigung
Extraktive Aufreinigung des OME-Kraftstoffs.
 
Osterland Thomas
 
 

Literaturhinweise / Quellenangaben

[1] Innokentij Bogatykh, Thomas Osterland, Hendrik Stein, Thomas Wilharm, Voltammetric Determination of Formaldehyde at Low Concentrations in the Synthetic Fuel Oxymethylene Dimethyl Ether, Energy Fuels 2019, 33, 11, 11078–11081.

[2] Innokentij Bogatykh, Thomas Osterland, Hendrik Stein, Thomas Wilharm, Investigation of the Oxidative Degradation of the Synthetic Fuel Oxymethylene Dimethyl Ether, Energy Fuels 2020, 34, 3, 3357–3366.

[3] Tobias Goral, Purification of Oxymethylene Dimethyl Ether from total Formaldehyde using Reactive Extraction with Sodium Hydroxide, ARC 2019 Applied Research Conference Nürnberg.