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Multi-scale life cycle design of synthetic fuels for sustainable mobility = Multiskalen Lebenszyklusdesign synthetischer Kraftstoffe für nachhaltige Mobilität
2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-06
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05015
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012484/files/1012484.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
life cycle assessment (frei) ; synthetic fuels (frei) ; chemicals (frei) ; mobility (frei) ; sustainability (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Verkehrssektor gehört zu den Hauptemittenten von Treibhausgasemissionen, was die Abkehr von der Verbrennung fossiler Kraftstoffe hin zur Integration erneuerbarer Energien erfordert. Während die Integration erneuerbarer Energien mittels direkter Elektrifizierung am sinnvollsten ist, sind einige Teilsektoren des Verkehrs nur schwer direkt zu elektrifizieren. Für diese Teilsektoren stellen synthetische Kraftstoffe eine vielversprechende Ergänzung zur direkten Elektrifizierung dar. Die vermuteten Umweltvorteile synthetischer Kraftstoffe bedürfen jedoch umfassender Validierung. Diese Arbeit unterstützt daher die Ökobilanz und das Design synthetischer Kraftstoffe, indem sie Forschungsfragen beim Screening, der Auswahl und der Verteilung adressiert. Für das Screening identifizieren wir diejenigen ökologischen Zielfunktionen, die die wichtigsten Zielkonflikte im integriertem Prozess- und Kraftstoffdesign abdecken. Ein ganzheitliches Kraftstoffdesign mit vertretbarem Rechenaufwand ist bereits mit den drei Zielfunktionen Landnutzung, Mineralien- und Metallverbrauch sowie Produktionskosten möglich. Das integrierte Kraftstoffdesign mit diesen Zielfunktionen zeigt, dass Bio-Hybridkraftstoffe die Zielkonflikte reiner Bio- und E-Kraftstoffe reduzieren. Von den gescreenten Kraftstoffen sollten nur diejenigen für detailliertere Analysen ausgewählt werden, die vier zentrale Herausforderungen aktueller synthetischer Kraftstoffe adressieren. Unsere Studie zu hydroformylierten Fischer-Tropsch (HyFiT) Kraftstoffen zeigt, dass HyFiT-Kraftstoffe diese vier Herausforderungen erfüllen können: Sie (1) sind skalierbar durch die Nutzung reifer Technologien, (2) sind kompatibel mit Kraftstoffstandards und aktueller Motorentechnologie, (3) reduzieren Luftschadstoffe und (4) ermöglichen den Übergang zu netto-null Treibhausgasemissionen. Die ausgewählten synthetischen Kraftstoffe könnten in Flotten als reine Kraftstoffe an nur wenige oder als Blend mit fossilem Kraftstoff an alle Fahrzeuge verteilt werden. Unsere Flottenanalyse demonstriert, dass die ökologisch optimale Verteilung davon abhängt, wie sich die Verbrennungsemissionen mit steigender Blendrate entwickeln. Die Analyse von Polyoxymethylendimethylether der Kettenlänge drei bis fünf (OME3-5) zeigt, dass die Verteilung als Blend mit fossilem Kraftstoff dann optimal ist, wenn die Verbrennungsemissionen mit steigender Blendrate überproportional sinken.Global transport is among the main emitters of greenhouse gas (GHG) emissions, requiring a paradigm shift away from burning fossil fuels towards integrating renewable energy. While renewable energy integration via direct electrification is most sensible, some transport subsectors are hard to electrify directly: aviation, shipping, and long-haul heavy-duty trucks. For these subsectors, renewable synthetic fuels pose promising complements for direct electrification. However, the environmental benefits of synthetic fuels are not a given and require thorough validation. Therefore, this thesis guides the life cycle assessment and design of synthetic fuels by addressing major research questions in the screening, filtering, and distribution of synthetic fuels. For synthetic fuel screening, we identify those key environmental objectives that cover the major trade-offs of integrated process and fuel design. Our findings suggest that the objectives land use, resource use of minerals and metals, and production cost are sufficient to design spark-ignition engine fuels holistically but with manageable computational cost. Integrated process and fuel design with these objectives reveals that bio-hybrid fuels can balance the burden-shifting of pure bio- and e-fuels. The group of synthetic fuels obtained from screening has to be further narrowed by filtering out only those for more detailed analyses that address the four key challenges of current synthetic fuels. Our study on hydroformylated Fischer-Tropsch (HyFiT) fuels demonstrates that HyFiT-fuels can fulfill these key challenges simultaneously: they (1) are scalable by using mature technologies, (2) are compatible with fuel standards and current engine technology, (3) reduce urban air pollutants, and (4) enable the transition to net-zero GHG emissions. In a fleet, the filtered out synthetic fuels could be distributed either as pure fuels to few or as blends with fossil fuel to all vehicles. Our fleet analysis shows that the environmentally optimal distribution depends on how combustion emissions develop with increasing blending ratios. For polyoxymethylene dimethyl ethers of chain length three to five (OME3-5), distribution as a blend is optimal since increasing blending ratios of OME3-5 in diesel decrease combustion emissions disproportionately strong.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Book/Dissertation / PhD Thesis
Format
online , print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031165799
Interne Identnummern
RWTH-2025-05015
Datensatz-ID: 1012484
Beteiligte Länder
Germany
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