Lo que quieres hacer es imposible. Los navegadores viejos simplemente no entienden el código CSS que en esa época no existía. En este caso, no entenderán las variables.
Por cierto, las librerías que mencionas (prefix-free, autoprefixer) SON procesadores (no solamente existen los preprocesadores, sino también postprocesadores, como esos). Puedes leerlo fácilmente en las documentaciones de esas herramientas:
Because Autoprefixer is a postprocessor for CSS, you can also use it
with preprocessors such as Sass, Stylus or LESS.
Los procesadores lo que hacen es, precisamente, tomar código que no funcionará de manera nativa y convertirlo en código nativo. En este caso, un procesador podría tomar tus variables CSS y reemplazarlas directamente en el CSS, dejándolo sin variables pero equivalente a tu código con variables (lo cual es muy distinto a que el navegador antiguo entienda tus variables nativamente).
EDITADO: Según veo, has editado tu pregunta solicitando una recomendación de preprocesador que te ayude con las variables.
Mi recomendación sería que uses SASS. No usa variables CSS, sino que implementa su propio tipo de variable, y funciona supremamente bien. La desventaja es que no le sacas el jugo a las variables CSS, pero la ventaja es que es compatible con todos los navegadores, nuevos o antiguos. Lectura sugerida: http://sass-lang.com/guide
Por cierto: si acaso lo estás pensando, no recomendaría, al menos todavía, mezclar variables CSS con variables preprocesadas como las de SASS. Probablemente eso haga que sea más difícil mantener las hojas de estilos organizadas. Entiendo que lo que quisieras es que de alguna forma el navegador usara una hoja de estilos con variables CSS o una con las variables preprocesadas dependiendo de si está en capacidad de leerlas o no, pero ello significaría muchísimo más trabajo para ti porque tendrías que despachar las hojas de estilo dinámicamente según el navegador. Por lo general, si quieres soportar navegadores antiguos, debes hacer sacrificios en la cantidad de trabajo a realizar y/o la limpieza de tu CSS. En este caso, creería que el sacrificio menos duro es no usar las variables CSS nativas sino unas preprocesadas.