Kraftstoffe werden überwiegend zum Antrieb von Fortbewegungsmitteln (Kraftfahrzeug,Flugzeug,Schiff,Rakete) verwendet. Da sie jeweils mittransportiert werden müssen, werden häufig Stoffe mit einer hohenEnergiedichte eingesetzt. Aber auch stationäre Verbrennungsmotoren werden mit ihnen betrieben.
Die Abgrenzung des BegriffesKraftstoff zu dem BegriffTreibstoff ist nicht durchgängig einheitlich geregelt:
AlsKraftstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zurdirekten Verbrennung in einerVerbrennungskraftmaschine genutzt wird. Besonders gängig ist der Begriff im Bereich derKraftfahrzeugtechnik.
AlsTreibstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels, seltener auch einer stationären Maschine, verwendet wird. Somit schließt der Begriff die Kraftstoffe mit ein. Besonders gängig ist der Begriff Treibstoff im Bereich der Schifffahrt und der Luft- und Raumfahrt.
In den meisten anderen Sprachen gibt es die Unterscheidung so nicht. So bedeutet z. B. imEnglischen der Begrifffuel allgemeinBrennstoff. Dies schließtKraftstoffe (manchmalmotor fuel genannt) undTreibstoffe (manchmalpropellant genannt) mit ein.
Nicht als Kraftstoff bezeichnet werden üblicherweise Stoffe, die zwar als Energieträger für einen Antrieb dienen, bei denen aber keinechemische Energie freigesetzt wird, z. B. Wasser für eineWasserturbine oderUran für den Kernreaktor einesNuklearantriebs.
Für die Reichweite eines Fahrzeugs sind neben dem Wirkungsgrad seiner Aggregate u. a. das Volumen des Tanks und die darin gespeicherte Energie ausschlaggebend. Der physikalische Vergleich derHeizwerte (kWh pro m³) zeigt, dass flüssige Treibstoffe hinsichtlich ihrer Energiedichte optimal sind. Bei Gasen hängt der Energiegehalt stark vom Druck ab.
↑abFür komplexe Stoffgemische sind Durchschnitts- bzw. Mittelwerte angegeben.
↑Berechnet aus dem jeweiligen bequellten Wert nach wenn nicht anders angegeben.
Die Möglichkeit, einen Treibstoff in einem Motor einzusetzen, hängt nicht nur von dessen Brennwert ab, sondern auch von der Auslegung des Motors und seiner Treibstoffzufuhr, den jeweiligen chemischen und physikalischen Eigenschaften des Treibstoffes und der ihm beigemischtenAdditive. Beispielsweise können sichVentile und Ventilsitze, die für die Verbrennung von Benzin ausgelegt worden sind, bei Betrieb mit Erdgas oder Autogas (keine Beimischung von Additiven) schneller abnutzen, weshalb Fahrzeughersteller ihre Erdgasfahrzeuge mit speziellen für Erdgasbetrieb ausgelegten Motoren ausstatten.
Darüber hinaus werden Kraftstoffe nach dem Zündungsprinzip unterschieden, ob also Selbstzündung (Dieselmotor) oder Fremdzündung (Ottomotor) verwendet wird[12].Ein weiterer wichtiger Diskussionspunkt bei der Verwendung alternativer Kraftstoffe ist die Frage,ob er sich in die bestehende Infrastruktur eingliedern lässt oder eine neue Infrastruktur erfordert.Besonders günstig in dieser Hinsicht sind alternative Kraftstoffe, die sich den bestehenden konventionellen Kraftstoffen aus fossilen Kohlenwasserstoffen beimischen lassen.Der Beimischungsanteil lässt sich dann „infrastrukturneutral“ allmählich anheben.
Ein entscheidender Aspekt bei der Bewertung der Kraftstoffe (konventioneller wie alternativer Kraftstoffe) ist die Kostensituation für den Verbraucher.Die Kraftstoffkosten sind stark von der nationalen Besteuerung abhängig und variieren je nach Land erheblich (siehe unten „Kraftstoffpreisentwicklung“).
AlsAlternative Kraftstoffe werden Kraftstoffe bezeichnet, die herkömmliche ausMineralöl hergestellte Kraftstoffe ersetzen können. Hierbei wird unterschieden zwischen Kraftstoffen ausfossilen Energieträgern, solchen, die ausbiogenen Energieträgern hergestellt sind und vorrangig unter Nutzungerneuerbarer Energien hergestellten Kraftstoffen.
Erdgas (CNG) ist seit den 1990er Jahren in Deutschland verfügbar. In Argentinien, Brasilien und Italien fahren bereits Millionen Automobile damit. Der Vorteil von Erdgas liegt wie beiAutogas in der gegenüber Benzin und Diesel saubereren Verbrennung. Natürliches Erdgas ist aber wie Benzin und Diesel auch ein klimaschädlicher Kraftstoff, da bei der Verbrennung CO2 entsteht. Der Hauptbestandteil von Erdgas istMethan, das klimaschädlich ist, wenn es in die Umwelt gerät, was bei Transport und Verwendung in Motoren häufig geschieht (siehe unten unter Methan).
Autogas besteht hauptsächlich ausPropan undButan, die sehr gut zu transportieren sind. Diese Gase fallen bei derErdgas- undErdölförderung als „nasses Bohrgas“ sowie bei derRaffinierung von Erdöl (z. B. zur Gewinnung vonBenzin oderDiesel) als Nebenprodukt an.
Erdgas und Autogas verbrennen zwar sauberer als Benzin und Diesel, sie sind aber klimaschädlich, da ihre Verbrennung dasTreibhausgas CO2 erzeugt, das zurErderwärmung beiträgt.
Alternative Kraftstoffe, die auch aus regenerativen Energiequellen hergestellt werden können
Methan und methanhaltige Kraftstoffe wie z. B.Erdgas,Biogas,LNG oderBio-LNG sind als alternative Kraftstoffe problematisch, da Methan sowohl bei der Herstellung als auch bei Lagerung, dem Transport und der Nutzung als Kraftstoff häufig unverbrannt alsTreibhausgas in die Umwelt entweicht[13][14] wo es etwa 20 bis 25 mal klimaschädlicher als CO2 ist (nach manchen Quellen bis zu über 70 mal schädlicher). In Motoren kommt es häufig zum sogenanntenMethanschlupf, bis zu ca. 2 % des Methans werden nicht verbrannt und treten als umweltschädliches Treibhausgas in die Atmosphäre aus. Auch wenn Methan, das mit Hilfe von erneuerbaren Energien hergestellt wird, eigentlich klimaneutral wieder in Energie umgewandelt werden kann, ist die Verwendung in Schiffsmotoren daher i. d. R. klimaschädlicher als Diesel.[15] In manchen Zweitaktmotoren soll dieses Problem nicht auftreten.[16] Auch bei der Herstellung von methanbasierten Kraftstoffen ist Methanschlupf problematisch und soll bis zu 8 % betragen.[17][18][19]
Wasserstoff (siehe HauptartikelWasserstoffantrieb) lässt sich mit Verbrennungsmotoren oderBrennstoffzellen nutzen, ist allerdings als Naturstoff nicht direkt gewinnbar und ist weder kostengünstig zu speichern noch zu transportieren. DieWasserstoffherstellung kann auf verschiedene Weise klimaneutral oder klimaschädlich geschehen. Wasserstoff kann z. B. ausWasser (H2O) mittelsElektrolyse gewonnen werden, was nur dann klimaneutral ist, wenn der dazu benötigte Strom auch klimaneutral produziert wird. Kostengünstiger ist allerdings die Gewinnung durch direkte chemische Umwandlung von Erdgas nach demSteam-Reforming-Verfahren, das allerdings klimaschädlich ist, da dann CO2 entsteht. ImKværner-Verfahren kann ausKohlenwasserstoffen wie Erdöl, Erdgas oder Methan Wasserstoff und reinerKohlenstoff erzeugt werden. Solange der Kohlenstoff in der weiteren Verwendung nicht klimaschädlich umgewandelt würde, wäre dies ein Verfahren, um Erdöl und Erdgas klimafreundlich zu verwenden. Insgesamt ist der Aufwand zur Bereitstellung der Antriebsenergie für Kraftfahrzeuge hoch, dieWell-to-Tank-Effizienz in Folge gering.
Methanol ist klimafreundlich und kann u. a. mit elektrischer Energie hergestellt werden[20][21] und in Brennstoffzellen oder als Brennstoff u. a. in Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen. Auch die Produktion von erneuerbarem Methanol ausHausmüll wird bereits wirtschaftlich angewandt.[21] Es verbrennt an der Luft sauber zu Kohlendioxid und Wasser.[22] Methanol wird von manchen Fachleuten als möglicher klimaneutraler Kraftstoff insbesondere für den Schwerlastverkehr und die Schifffahrt gesehen.[23][24] Der KraftstoffMethanol (M100) ist bereits genormt. In China wird Methanol bereits als Kraftstoff in Pkw und Lkw genutzt.[25] In Schweden wird eine Autofähre mit Methanol betrieben.[26] Methanol eignet sich eventuell auch als Zwischenspeicher in Fahrzeugen, die mit Wasserstoffbrennstoffzellen angetrieben werden.[27] Methanol kann auch in Benzin umgewandelt und Polyoxymethylendimethylether als Kraftstoff, kurz OME, gewonnen werden. An derPennsylvania State University war 1999 ein Verfahren entwickelt worden, mittels eines Katalysators Methan bei weniger als 100 °C in Methanol umzuwandeln.[28] (siehe auch:Methanolwirtschaft)
Polyoxymethylendimethylether kurz OME (mitn zwischen 3 und 5) können alsDieselkraftstoffkomponenten oder vollständige Alternative[29] zum Dieselkraftstoff verwendet werden.[30][31][32][33][29] Sie bewirken dabei eine Minderung der Rußemissionen während des Verbrennungsprozesses.[34] Die Produktionskosten für die Herstellung von OME sind vergleichbar mit der Herstellung von Dieselkraftstoff.[35] Der Primärrohstoff zur Herstellung von OME ist Methanol, das sowohl aus konventionellem Erdgas, als auch regenerativ aus COx und Wasserstoff hergestellt werden kann. Auch andere Ether werden auf ihre Eignung in Kraftstoffen untersucht.
Ammoniak ist klimafreundlich und kann als Kohlenstoff-freier Brennstoff mit elektrischer Energie hergestellt werden, und u. a. in Verbrennungsmotoren oder inBrennstoffzellen zum Einsatz kommen. Vorteil ist der flüssige Aggregatzustand bei geringer Kühlung bzw. der geringe Druck flüssigen Ammoniaks bei Raumtemperaturen. Praktische Anwendungen befinden sich (Stand 2020) noch im Labormaßstab. In den USA wurden aber schon in den 1870er Jahren Straßenbahnen mit Ammoniak angetrieben und imZweiten Weltkrieg in Belgien Busse.[15] In Verbrennungsmotoren von PKWs wird Ammoniak aber wohl voraussichtlich nicht zum Einsatz kommen, da es zu giftig ist. Sofern das Ammoniak aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, ist es ein klimaneutraler Kraftstoff. Der Vorteil gegenüber Wasserstoff liegt in der einfacheren Transportmöglichkeit. Der Nachteil liegt in der potentiellen Giftigkeit, wobei Vergiftungen aufgrund des unangenehmen Geruchs selten vorkommen sollen, sowie im Ammoniakschlupf, also von geringen Mengen die ungenutzt im Abgas verkommen, an dessen Beseitigung derzeit geforscht wird[36] und der aber im Gegensatz zumMethanschlupf nicht klimaschädlich ist.[15] Hersteller bieten auch bereits Ammoniakschlupfkatalysatoren an, die den Schlupf zu unschädlichen Produkten Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) oxidieren können sollen.[37] Da Ammoniak sehr häufig z. B. alsDünge- oder umweltfreundlichesKältemittel eingesetzt wird, ist die Herstellung von Ammoniak weit verbreitet, derzeit sollen hierfür weltweit etwa 2 – 3 % des gesamten gewerblichen Energiebedarfs aufgewendet werden.[38] Werden dabei keine erneuerbaren Energien eingesetzt, fallen pro Tonne Ammoniak etwa 1,5 Tonnen klimaschädliches CO2 an.[38]siehe auch:Power-to-Ammonia
Unter dem BegriffElektrokraftstoffe (engl. Electrofuels; kurz:E-Fuels) wird eine Reihe von alternativen Kraftstoffen zusammengefasst, die mit Hilfe von elektrischer Energie hergestellt werden (z. B. Wasserstoff, Ammoniak, Methan). Die Vorteile gegenüber mittels Akku betriebenen Fahrzeugen sind, dass i. d. R. bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie als in einem Akku gespeichert werden kann, dass keine Akkus produziert werden müssen, dass ein Tank i. d. R. viel schneller befüllt werden kann als ein Akku aufgeladen, und dass die Kraftstoffe auch z. B. mittels Solarenergie in entfernten Wüstenregionen produziert werden könnten. Der Nachteil gegenüber akkubetriebenen Fahrzeugen liegt in dem stets deutlich geringerenGesamtwirkungsgrad. So benötigen mit Power-to-Liquid-Treibstoffen betriebene Autos mitVerbrennungsmotor etwa vier- bis sechsmal so viel Energie wie batterieelektrische Fahrzeuge, wobei allerdings die sehr energieaufwändige Batterieproduktion nicht eingerechnet ist. Aufgrund dieser Eigenschaften empfahl derSachverständigenrat für Umweltfragen 2017 in einem Gutachten, den Einsatz von strombasierten synthetischen Brennstoffen vor allem auf den Flug- und Schiffsverkehr zu beschränken, um denStromverbrauch nicht zu sehr ansteigen zu lassen.[39] Dieser Nachteil entfällt, wenn die Kraftstoffe mittels erneuerbaren Energien im Ausland, z. B. in Wüstenregionen, zu konkurrenzfähigen Preisen produziert werden könnten. Eine 2018 veröffentlichte Dokumentation derWissenschaftliche Dienste des Deutschen Bundestages führt aus: „Die Kosten für E-Fuels sind derzeit noch hoch (bis zu 4,50 € pro Liter Dieseläquivalent). Ein Zielkostenniveau von ca. 1 € pro Liter Dieseläquivalent erscheint mit Importen aus Regionen mit hohem Angebot an Sonne und/oder Wind aus heutiger Perspektive erreichbar.“[40] Der Preis ist wohl ohne Energiesteuer, die derzeit 65,45 ct pro Liter Benzin beträgt, sowie ohne Umsatzsteuer von 19 %. Insgesamt betrüge der Preis also voraussichtlich ca. 2,-- Euro, so die Besteuerung nicht anders ausfällt.
Um klimaneutral zu sein, sollten Elektrokraftstoffe sinnvollerweise auf regenerativem Weg, also z. B. in Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerken, gewonnen werden. MittelsElektrolyse von Wasser wird Wasserstoff erzeugt, der entweder direkt als Kraftstoff (z. B. fürBrennstoffzellenfahrzeuge) verwendet werden kann oder mit CO2 zu unterschiedlichen gasförmigen („Power-to-gas“) oder flüssigen („Power-to-liquid“) Kohlenwasserstoffen reagieren kann; auf diesem Weg lassen sich Kraftstoffe herstellen, die in konventionellen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Dies bietet die Möglichkeit, auch den Langstreckenverkehr weitgehend CO2-neutral anzutreiben, für den aktuell noch keine tragfähigen Elektrifizierungskonzepte bestehen.[41]
Alternative Kraftstoffe, die aus Pflanzen hergestellt werden können
Ethanol-Kraftstoff (Bio-Ethanol) wird aus Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Weizen gewonnen. Seit 2005 wird es in Deutschland in geringen Mengen dem normalen Benzin beigemischt. In Brasilien fahren viele Automobile damit, sieheFlexible Fuel Vehicle. Verfahren zur Gewinnung vonCellulose-Ethanol aus pflanzlicher Biomasse befinden sich in der Entwicklung.
Biodiesel wird aus mitMethanolveresterten Pflanzenölen (vorwiegendRapsöl) hergestellt. Da Biodiesel unter Umständen Dichtungen und Schläuche im Kraftstoffsystem angreift, müssen Motoren dafür geeignet sein bzw. umgerüstet werden. Biodiesel kann eine große Menge Wasser aufnehmen, was zu Korrosionsproblemen an der Einspritzausrüstung führen kann. Er dient auch als Beimischung zu normalem Dieselkraftstoff; der Anteil ist so begrenzt, dass auch nicht umgerüstete Dieselmotoren mit diesem Gemisch betrieben werden können. Nachteilig ist der hohe Aufwand zur Herstellung und die Ineffizienz bzw. Lebens-/Futtermittelkonkurrenz bei der Flächennutzung.
Biogas kann für stationäre Motoren und zu Heizzwecken in der Nähe der Erzeugeranlagen eingesetzt werden, aber auch Erdgasfahrzeuge können damit betankt werden. Für die Verwertung von Biogas ist der potentiell klimaschädliche Methananteil am wichtigsten. Zu den Nachteilen siehe daher unten unter „Methan“.
Biokerosin ist ein Luftfahrtkraftstoff, der auf Basis hydrierter Pflanzenöle wieRaps-,Palm- oderJatrophaöl oder ausAlgen hergestellt wird. Das PräfixBio- weist hier nicht auf eine Herkunft ausökologischer Landwirtschaft hin, sondern auf den pflanzlichen (biologischen) Ursprung. Biokerosin, das bestimmten Nachhaltigkeitskriterien entspricht, kann als biobasiertes Sustainable Aviation Fuel (SAF) bezeichnet werden.
BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid) wird auch unter dem MarkennamenSunDiesel vertrieben. Er wird aus Biomasse, wie z. B. Holz oder Stroh gewonnen. BtL befindet sich noch in der Erprobungsphase und hat noch einen großen Forschungsbedarf. Bei ihm können alle Bestandteile der Pflanze genutzt werden und er besitzt eine hohe Energiedichte. Auch konventionelle Dieselfahrzeuge können damit fahren. Eine Gesamtenergiebilanz der BTL-Prozesse liegt derzeit noch nicht vor.
ReinePflanzenöle z. B. ausRaps,Sonnenblume oderLeindotter, auch „Pöl“ oder Naturdiesel genannt, können als Kraftstoff in Dieselmotoren eingesetzt werden. Insbesondere die höhere Viskosität gegenüber Dieselkraftstoff führt dazu, dass zum dauerhaften Betrieb von Dieselmotoren mit Pflanzenöl eine Anpassung des Kraftstoff- und Einspritzsystems notwendig wird. Pflanzenöle neigen unter Lufteinfluss zum Verharzen und können im Winter erstarren. Nachteilig ist die geringe Ausnutzung der Sonnenenergie und die Lebens-/Futtermittelkonkurrenz bei der Flächennutzung. Ein Vorteil von Pflanzenöl ist das geringe Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt (nicht wassergefährdend, kein Gefahrgut, ungiftig, hoher Flammpunkt).
Holzgas war in den 1940er Jahren eine verbreitete Alternative unter dem Druck von akutem Kraftstoffmangel. InFinnland sind Fahrzeuge mit selbstgefertigtenHolzvergasern auch heute noch anzutreffen. Bei dem Verfahren verschwelt normales Holz, oft Holzabfälle, unter Luftabschluss in einem Druckkessel oder zersetzt sich unter Luftmangelverbrennung. Die entstehenden brennbaren Gase (überwiegendMethan bei Luftabschluss, überwiegendKohlenstoffmonoxid,Wasserstoff und Methan bei Luftmangelzersetzung) werden nach Kühlung und Reinigung einem Motor zugeführt. Stationäre Holzgasanlagen werden zu Heizzwecken und inKraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen eingesetzt.
Wenn für die Kraftstoffe eigens Pflanzen angebaut werden, ist dies problematisch, da die Flächen nicht für die Nahrungsproduktion verwendet werden können und der Erzeuger dazu neigen könnte, deutlich mehr Pestizide und Düngemittel zu verwenden, und somit die Umwelt und die Gesundheit von Anwohnern zu schädigen. Zudem können Naturflächen, etwa Regenwälder, der Produktion zum Opfer fallen. Verfahren, die aus Pflanzen Methan produzieren, sind grundsätzlich klimaschädlich, auch wenn sie nur Pflanzenreste verwenden, die ohnehin anfallen (siehe oben unter „Methan“).
Video: Wie viel CO2 entsteht bei der Kraftstoffverbrennung?
Die bei der Verbrennung von vielen Kraftstoffen freigesetztenAbgase bewirken Gesundheits- und Umweltschäden wieSauren Regen und denTreibhauseffekt und somit dieglobale Erwärmung. InsbesondereKohlenstoffdioxid,Kohlenstoffmonoxid,Stickoxide, Staub (Ruß),Schwefeldioxid und Kohlenwasserstoffe spielen dabei wichtige Rollen. Das in Vergaserkraftstoffen befindlicheBenzol ist krebserregend. Viele Treibstoffe sind giftig und wassergefährdend. Art und Umfang der freigesetzten Schadstoffe sind im Wesentlichen von der Zusammensetzung des Kraftstoffes, der Bauart und der Betriebsweise des Motors sowie derAbgasnachbehandlung (Abgas-Katalysator,Rußfilter) abhängig.
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