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Biodiesel

Viskosität beeinflusst Verhalten von Biodiesel

| Autor/ Redakteur: Beate Müllner* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Durch Umesterung von Ölen und Fetten wird Biodiesel hergestellt. Die Viskosität verringert sich bei diesem Vorgang. Sie beeinflusst das Zündverhalten und die Kraftstoffzerstäubung im Motor und ist ein Qualitätskriterium von Biodiesel und Biodieselmischungen.

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Abb. 1 Auch für die Untersuchung von Biodiesel geeignet: Das SVM 3000 mit Probenwechsler Xsample 460 erlaubt eine automatische Bestimmung der Dichte und Viskosität von bis zu 96 Proben.
Abb. 1 Auch für die Untersuchung von Biodiesel geeignet: Das SVM 3000 mit Probenwechsler Xsample 460 erlaubt eine automatische Bestimmung der Dichte und Viskosität von bis zu 96 Proben.
( Archiv: Vogel Business Media )

Biodiesel ist als Kraftstoff für Kraftfahrzeug-Dieselmotoren geeignet. Er kann entweder in einer Konzentration von 100 Prozent (B100) verwendet oder als Blendkomponente mineralischem Dieselkraftstoff beigemengt werden (z.B. B2.5 – B5 laut EU Gesetzgebung). Vorteile von Biodiesel gegenüber mineralischem Dieselkraftstoff sind die Reduktion der Schadstoffemission, die verbesserte biologische Abbaubarkeit und ein höherer Flammpunkt.

Der Überbegriff für Biodiesel ist Fettsäure-Methylester (FAME, fatty acid methyl ester). Je nach Ausgangsmaterial kann es sich dabei um Rapsölmethylester (RME, rapeseed methyl ester) oder Methylester anderer Pflanzenöle wie beispielsweise Sojaöl (SME, soybean methyl ester) handeln. Aber auch Tierfette (TME, tallow methyl ester) oder gebrauchte Frittieröle können die Basis für Methylester bilden.

Die Öle oder Fette werden mit Methanol oder Ethanol und anderen Zusätzen versetzt. Die Esterbindungen dieser Öle bzw. Fette (Triglyceride; Ester freier Fettsäuren) werden unter Normaldruck und bei etwa 60 °C getrennt und die Fettsäuren dann mit dem Methanol oder Ethanol umge-estert. Das entstehende Glycerin wird vom Biodiesel getrennt.

Warum muss die Viskosität von Biodiesel bestimmt werden?

Durch die Umesterung wird die Viskosität des Biodiesels deutlich niedriger als die des Ausgangsmaterials, die Cetanzahl (Maß für die Zündwilligkeit) erhöht sich.

Die Viskosität des Biodiesels beeinflusst die Schmierung der Einspritzdüse und die Kraftstoffzerstäubung. Bei zu niedriger Viskosität ist die Schmierung für die Kraftstoff- und die Einspritzpumpe nicht ausreichend gewährleistet, was zu Undichtigkeiten und erhöhter Abnutzung im Motor führt. Biodiesel mit höherer Viskosität bildet bei der Zerstäubung größere Tröpfchen, was zu schlechterer Verbrennung, stärkerer Rauchbildung und höheren Emissionen führt. Zu hohe Tieftemperaturviskosität führt einerseits zu Förderproblemen, andererseits zu ernsthaften Schäden an der Einspritzpumpe. Die genaue Überwachung der Viskosität dient somit der Qualitätsbewertung von Biodiesel und Biodieselmischungen.

Traditionelle Viskositätsmessung

Traditionell wird die kinematische Viskosität mit Glaskapillar-Viskosimetern nach den Normen ASTM D445 bzw. ISO 3104 bestimmt. Der Wert für die kinematische Viskosität ergibt sich aus der Multiplikation der jeweiligen Laufzeiten t1 und t2 mit der Kapillarkonstante C und eventuellen Korrekturfaktoren. Die Messung kann mit handbefüllten Kapillaren oder automatisiert erfolgen, ist aber aufwändig hinsichtlich folgender Punkte:

  • Platzbedarf,
  • Temperierung der Kapillare im Thermostatbad,
  • Messzeiten,
  • Lösungsmittelverbrauch,
  • Messdatenverarbeitung bei manuellen Systemen.

Messung der Viskosität mit dem SVM 3000

Im Verlgeich zur traditionellen Viskositätsmessung mit Glaskapillaren hat die automatisch durchgeführte Viskositätsbestimmung mit dem SVM 3000 Vorteile. Die Messung mit dem SVM 3000 erfolgt nach der Norm ASTM D7042, welche zur ASTM D445, DIN 51562 bzw. ISO 3104 vergleichbare Ergebnisse liefert. Die Bestimmung der Viskosität und Dichte erfolgt automatisch. Die Befüllung und Reinigung des Gerätes kann entweder manuell oder vollautomatisch mit einem Probenwechsler vorgenommen werden. Obwohl das SVM 3000 keinen PC benötigt, können die Messdaten über die serielle Schnittstelle in ein PC-System übernommen werden.

Das SVM 3000 misst die Dichte mit einer Genauigkeit besser als drei Nachkommastellen. Da die Standard-Messtemperatur für Biodiesel 40 °C ist, wird auch die Dichte bei dieser Temperatur bestimmt. API-Tabellenfunktionen, welche in der Software des Systems integriert sind, gestatten die Berechnung von Dichte, spezifischem Gewicht und API-Grad auf die Standardtemperaturen 15 °C, 20 °C und 60 °F. Aufgrund der Unsicherheit des in diesen Tabellenfunktionen angewandten Temperaturkoeffizienten sind Berechnungen nur bis zur dritten Nachkommastelle genau. Um die Dichteerfordernisse der EN 14214 zu erfüllen, empfiehlt Anton Paar zumindest ein DMA-4100-Dichtemessgerät zu verwenden.

Am SVM 3000 können für die Messung nach der Norm ASTM D7042 die Anzahl der Bestimmungen, die Grenzwerte für die Wiederholbarkeit und die Speicherung aller Messdaten eingestellt werden. Für die Messung werden mindestens zwei Milliliter Probe in die Messzellen gefüllt und die Messung gestartet. Wenn die erste Bestimmung fertig ist, wird der Messdatensatz im internen Messwertspeicher abgelegt. Dann füllt man einen weiteren Milliliter aus der Spritze nach und wiederholt die Messung. Das Gerät vergleicht die Werte der Erst- und Zweitbestimmung und fordert, wenn die Abweichungen außerhalb der Grenzwerte für die Wiederholbarkeit liegen, zu einer weiteren Wiederholmessung auf. Im zweiten Messfenster werden die Abweichungen zwischen zwei Bestimmungen angezeigt. Nach Erreichen eines gültigen Messwertes ist es wichtig, die Messzellen für die nächste Anwendung zu spülen und zu trocknen.

Automatisierte Bestimmung

Das Füll- und Spülsystem Xsample 360 füllt einzelne Proben und reinigt sowie trocknet das Gerät vollautomatisch. Der Probenwechsler Xsample 460 verfügt über ein Magazin mit 48 (optional 96) Positionen. Mit diesen Geräten kann die Messung nach der Norm ASTM D7042 vollautomatisch durchgeführt werden. Sind die notwendigen Parameter wie Anzahl der Wiederholmessungen und Limits für Wiederholabweichungen eingestellt, erfolgt der weitere Ablauf vom Einfüllen der Probe, über die Messung bis hin zum Spülen und Trocknen automatisch. Unter Verwendung von Druckluft zum Trocknen der Messzellen lässt sich der Probendurchsatz noch steigern. Für die Viskositätsmessung bei -20 °C kann das System mit verschiedenem Zubehör ausgestattet werden. Dazu gehört unter anderem ein Kühlthermostat, isolierte Kühlmittelschläuche und die Möglichkeit, die Zelle direkt bei -20 °C mit Druckluft (trocken, ölfrei) zu trocknen. Hierzu ist ein Luftaufbereitungsset mit Membrantrockner notwendig. Um das SVM 3000 trocken zu halten, wird vorgetrocknete Luft in das Geräteinnere geleitet. Die Messzellen werden anstatt mit der eingebauten Luftpumpe mit trockener Druckluft (max. ein bar) getrocknet. Für gelegentliche Tieftemperaturmessungen mit dem handbefüllten Gerät reicht kaltes Leitungswasser als Rückkühlung aus. Zum Trockenhalten des Geräteinneren kann ein Trockenmittelbeutel und zum Trocknen der Messzellen eine Trockenpatrone verwendet werden. Die Trocknungstemperatur muss über den Taupunkt angehoben werden.

Ergebnisse und Schlussfolgerung

Abbildung 3 stellt die Ergebnisse für Dieselkraftstoffe mit unterschiedlichen Gehalten an Biodiesel bei 40 °C zusammengefasst dar. Die Viskosität des Endprodukts nimmt mit steigendem Biodieselanteil zu. Die Viskositätskurven folgen einem Potenzgesetz entsprechend der nachstehenden Gleichung (hier nur für kinematische Viskosität angeführt):

y = 2,3559 e0,0059x mit y als kinematischer Viskosität und x als Prozent (Gewicht) Biodiesel im Dieselkraftstoff.

Aus dieser Gleichung lässt sich die Berechnung in Tabelle 1 ableiten. Die Tabelle zeigt, dass bei einem Biodieselgehalt von nicht mehr als fünf Prozent die Vorgaben der Norm ASTM D975 eingehalten werden können. Darüber hinaus kann die Umweltqualität durch Beimischen von ein bis fünf Prozent Biodiesel verbessert werden, ohne dass dies einen negativen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und die Funktion des Motors hat.

Literatur

Auf Anfrage bei der Autorin

*B. Müllner, Anton Paar GmbH, 8054 Graz/Österreich

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