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Die Verbrennungschemie von Biokraftstoffen wird direkt in der Flamme analysiert.
[Foto: Kuiwen Zhang, Hefei, China]
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Die Umweltfreundlichkeit von Brennstoffen ergibt sich nicht allein aus der CO2-Bilanz. Chemisch betrachtet ist deren Verbrennung ein außerordentlich komplexer Prozess. Bei der Verbrennung von Biodiesel laufen zum Beispiel etwa 35.000 (!) verschiedene chemische Reaktionen ab. Viele Zwischenprodukte dieser Reaktionen beobachten die Bielefelder Arbeitsgruppe und ihre internationalen Kollegen direkt in der Flamme. Sie benutzen dazu eine weltweit einmalige Methodenkombination aus hochempfindlichen laserspektroskopischen und massenspektrometrischen Verfahren, bei denen auch zwei Teilchenbeschleuniger - in Berkeley, USA und Hefei, China - zum Einsatz kommen. Diese Analysen sind nicht zuletzt Grundlage für genauere Aussagen zur Umweltverträglichkeit von Biobrennstoffen. Das Team interessiert sich dabei für die Frage, wie der strukturelle Aufbau der beteiligten Kraftstoffmoleküle die Schadstoffbilanzen beeinflusst. Das international zusammengesetzte Forscherteam umfasst neben der Bielefelder Arbeitsgruppe mehrere namhafte wissenschaftliche Einrichtungen in den USA und China. Ihre Forschungsergebnisse zeigen die im Allgemeinen geringere Tendenz von Biokraftstoffen zur Bildung von Ruß; verglichen mit fossilen Brennstoffen entstehen jedoch deutlich mehr bedenkliche Carbonylverbindungen, wie zum Beispiel Formaldehyd und Acetaldehyd. Solche Ergebnisse dienen insbesondere als Grundlage für die Entwicklung von Reaktionsmechanismen, die in Computersimulationen zur Vorhersage von Schadstoffemissionen benutzt werden. Inzwischen greifen namhafte Institute aus der ganzen Welt auf diese Daten zu. Nach Einschätzung großer wissenschaftlicher Akademien wie der Leopoldina oder der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften wird die Verbrennung fossiler und alternativer Energieträger in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren weiterhin eine wichtige Rolle spielen. Verbrennungsforschung ist daher als wichtiges Element zur Reduktion von Schadstoffen unverzichtbar.
Abstract: Verbrennungschemie der Biokraftstoffe: von Ethanol bis Biodiesel Biokraftstoffe wie Bioethanol, Biobutanol und Biodiesel erfahren zunehmendes Interesse als Alternativen zu Brennstoffen auf Erdölbasis, denn sie versprechen als regenerierbare Energieträger eine langfristige und nachhaltige Perspektive mit vorteilhafter Klimabilanz. Gegenwärtige Diskussionen befassen sich mit der Produktion dieser Brennstoffe, ihrer Kompatibilität mit vorhandenen Motoren und Versorgungsstrukturen sowie der Konkurrenz zwischen der Herstellung von Biokraftstoffen und Nahrungsmitteln. Die Verbrennungschemie der Biokraftstoffe hat dagegen bisher nur wenig Aufmerksamkeit erfahren. In diesem Aufsatz beschreiben wir wesentliche Aspekte der chemischen Reaktionswege bei der Verbrennung prototypischer Vertreter potenzieller Biokraftstoffe wie Alkohole, Ether und Ester. Im Vordergrund stehen dabei die Zersetzungs- und Oxidationsmechanismen sowie mögliche unerwünschte Emissionen. Neue experimentelle Methoden und Modellstudien erlauben detaillierte Einblicke in die hochkomplexen Netzwerke chemischer Reaktionen bei der Verbrennung von Biokraftstoffen. Die Chemie dieser Prozesse zu verstehen ist eine wichtige Voraussetzung für die verantwortungsbewusste Auswahl alternativer Kraftstoffe der nächsten Generation.
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