VKM_I_Kap.5

5.1. Einleitung 5-3

5.2. Chemischer Aufbau 5-5

5.3. Eigenschaften der Kraftstoffe 5-8

5.3.1. Siedeverhalten 5-8

5.3.2. Verdampfungswärme 5-11

5.3.3. Luftbedarf 5-11

5.3.4. Heizwert 5-11

5.3.5. Gemischheizwert 5-13

5.3.6. Reinheit, Verkokungsneigung, Fließverhalten 5-15

5.3.7. Zusätze (Additive) 5-16

5.3.8. Zündtemperatur, Flammpunkt, Zündgrenzen 5-17

5.3.9. Zündverhalten 5-17

5.3.10. Schwefelgehalt im Kraftstoff 5-22

5.3.11. CO2–Emission 5-23

5.4. Herstellung5-25

5.5. Fossile Kraftstoffe 5-28

5.5.1. Erdgas: 5-28

5.5.2. Flüssiggas (Autogas): 5-28

5.5.3. Gasöl: 5-28

5.5.4. Ottokraftstoffe: 5-28

5.5.5. Petroleum: 5-29

5.5.6. Kerosin: 5-29

5.5.7. Dieselkraftstoff: 5-29

5.6. Alternative Kraftstoffe 5-31

5.6.1. Notwendigkeit von Alternativkraftstoffen 5-31

5.6.2. Biogene Kraftstoffe 5-32

5.6.3. Wasserstoff 5-36

5.6.4. Synthetische Kraftstoffe 5-38

5.6.5. Elektrokraftstoffe 5-43

5.7. Bakterien- & Mikrobenbildung in Kraftstoffen 5-45

Energieträger bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) mit Ausnahme von Kernbrennstoffen, Sonnenenergie, Wasser und Wind.

Technisch relevante Brennstoffe:

• Kohlenstoff C
• Kohlenwasserstoffe C_xH_y
• Wasserstoff H₂

Verbrennung setzt chemisch gebundene Energie in Form von Wärme und Licht frei: Bild 1

Kraftstoffe für Verbrennungskraftmaschinen werden fast ausschließlich aus Erdöl erzeugt (Otto- und Dieselmotoren). Kraftstoffe bestehen aus über 200 verschiedenen Verbindungen der Zusammensetzung C_xH_yO_Z.

Mit Hilfe moderner Verarbeitungsverfahren ist es möglich, Erdöle aus den verschiedenen Provenienzen zu den vom Markt benötigten Fertigprodukten zu verarbeiten.

Alternativ können Kraftstoffe aus

nichtfossilen Energieträgern (z.B. BtL), Erdgas (z.B. GtL) oder Kohle gewonnen werden. Zur Gewinnung aus Kohle stehen die Verfahren der Hydrierung und der Vergasung zur Verfügung. Bei der Hydrierung wird die Kohle gespalten und Wasserstoff zugeführt, der sich an die C-Atome anlagert.

Bei der Vergasung wird Synthesegas aus der mit Wasserdampf reagierenden Kohle gewonnen und einem der nachfolgenden Syntheseverfahren zugeführt:

• Fischer-Tropsch-Synthese
• Methanol-Synthese
• Benzin-Synthese

Diese Verfahren zur Gewinnung von flüssigen Kraftstoffen sind jedoch mit erheblichen Verlusten behaftet, die auf Energiezufuhr, Verdichtung etc. zurückzuführen sind. Die Fischer-Tropsch-Synthese wird zurzeit wieder verstärkt für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe angewendet.

Die Gewinnung von Kraftstoffen aus Energieträgern nichtfossiler Basis beruht auf der Nutzung der Sonnen-, der Wind- und der Kernenergie:

a) Sonnenenergie:

• Direkt aus der Strahlungsenergie
• Indirekt über Fotosynthese der Biomasse

b) Windenergie

• Nutzung überschüssiger elektrischer Energie zur Wasserstoffherstellung für Brennstoffzellen-Fahrzeuge oder für die energetische Anreicherung von Biomethan zur Erdgas-Beimischung (z.B. für CNG-Fahrzeuge)

c) Kernenergie:

• Nutzung der Prozesswärme
• Umwandlung der Prozesswärme in elektrischen Strom zur Elektrolyse von Wasser zu Knallgas bzw. Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂)

Kraftstoffe sind Gemische aus Kohlenwasserstoffen, d.h. Verbindungen von Kohlenstoff C und Wasserstoff H. Der Anteil der einzelnen Komponenten sowie ihr Aufbau bestimmen die Eigenschaften der Kraftstoffe.

Die aneinander gereihten, vierwertigen Kohlenstoffatome werden durch einwertige Wasserstoffatome gesättigt. Ein Unterscheidungsmerkmal der Kohlenwasserstoffe ergibt sich dadurch, dass sie gesättigt oder auch ungesättigt vorliegen. Ferner ist eine Einteilung danach möglich, ob die Moleküle eine offene oder eine geschlossene (ringförmige) Struktur aufweisen.

Die Zündwilligkeit hängt maßgeblich vom Aufbau der Kohlenwasserstoffe ab: Geschlossene Kohlenwasserstoffe sind weniger zündwillig als offene Ketten, ungesättigte Verbindungen weniger zündwillig als gesättigte und verzweigte wiederum weniger zündwillig als geradkettige Verbindungen.

Paraffine: Paraffine sind kettenartig aufgebaut und weisen Einfachverbindungen auf, d.h. sie sind gesättigt. Ihre Summenformel lautet CnH2n+2.

Normal-Paraffine (n-Paraffine) sind geradkettig. Typische Vertreter sind n-Heptan und Cetan.

Iso-Paraffine: Iso-Paraffine (i-Paraffine) sind verzweigt. Die Art der Verzweigung bestimmt hierbei die Stoffeigenschaften. Die geringere Zündwilligkeit der Iso-Paraffine gegenüber den Normal-Paraffinen erklärt sich durch die kompaktere Molekülstruktur.

Olefine: Sind in einem Kohlenwasserstoff-Molekül mit offener Kette zwei oder mehr C-Atome durch eine Doppelbindung miteinander verbunden, dann liegen Olefine vor (ungesättigte Bindungen). Analog zu den Paraffinen gibt es auch bei den Olefinen die Unterscheidung zwischen n-Olefinen (unverzweigt) und i-Olefinen (verzweigt). Gegenüber den n-Paraffinen besitzen die n-Olefine eine geringere Zündwilligkeit.

Naphthene: Als Naphthene werden ringförmige Kohlenwasserstoffe mit Einfachbindungen bezeichnet. Ihre Summenformel lautet CnH2n. Das Cyclo-Hexan C6H12 z.B. kann man sich dadurch entstanden vorstellen, dass das n-Hexan C6H14 zu einem Ring zusammen-geschlossen wird. Dadurch fallen 2 H-Atome weg: Bild Die Zündwilligkeit der Naphthene ist besser als die der i-Paraffine, jedoch schlechter als die der n-Paraffine gleicher Kohlenstoffanzahl.

Aromaten: Ringförmige Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen werden Aromaten genannt. Grundkörper ist das Benzol C6H6 mit drei Doppelbindungen.

Vom Benzol existieren mehrere Abkömmlinge, bei denen ein oder zwei H-Atome durch eine Methylgruppe (CH₃) ersetzt sind. Die Aromaten besitzen unter den Kohlenwasserstoffen durch ihre Kompaktheit die geringste Zündwilligkeit.

Zusammenfassend ist festzuhalten:

Die Anordnung der Kohlenstoffatome und der Typ der Bindung beeinflussen maßgeblich die Zündwilligkeit. Der Siedepunkt und das spezifische Gewicht einer Kohlenwasserstoffverbindung steigen mit zunehmender Molekülgröße

5.3.1. Siedeverhalten

Kraftstoffe sind ein Gemisch aus vielen Kohlenwasserstoffen und haben deshalb keinen Siedepunkt wie reine Stoffe, sondern einen Siedebereich. Abbildung 5-8 zeigt das Siedeverhalten von HC-Verbindungen in Abhängigkeit von der Anzahl der C-Atome. Die Siedetemperatur nimmt mit steigender C-Zahl zu.

Das Siedeverhalten von Kraftstoffen wird durch eine Siedekurve charakterisiert. Sie beschreibt die gegenseitige Abhängigkeit von Destillat- oder verdampfter Menge (in [Volumen-%] und Siedetemperatur [°C]), siehe Abbildung 5-9. Die Bestimmungen zur Ermittlung des Siedeverlaufs von flüssigen Mineralölkohlenwasserstoffen sind in DIN 51751 festgelegt.

a) Ottokraftstoff

Der Ottokraftstoff soll schnell und ohne Rückstände verdampfen. Zur Beurteilung des Kraftstoffverhaltens im Motor werden die drei Temperaturen herangezogen, bei denen 10 %, 50 % und 90 % des Kraftstoffes verdampft sind (siehe Abbildung 5-10):

10%-Punkt

• Zu hoch: schlechter Kaltstart 
• Zu niedrig:  Dampfblasenbildung
• Verdampfungsverluste im Tank/ Vergaser

50%-Punkt

• Zu hoch: schlechtes Übergangsverhalten bei kaltem Motor
• Zu niedrig: Vergaservereisung

90%-Punkt

• Zu hoch: Rückstandsbildung im Brennraum (z.B. Ruß)

Neben dem Siedeverlauf ist auch der Dampfdruck ein Maß für die Vergasungsneigung des Kraftstoffes.

Hoher Dampfdruck:

• Dampfblasenbildung im Vergaser oder Leitungssystem

Niedriger Dampfdruck:

• Erschwertes Startverhalten

Der Dampfdruck ist deshalb begrenzt:

• im Sommer max. 0,7 bar
• im Winter max. 0,9 bar

Die Bestimmung des Dampfdruckes erfolgt nach prEN 13060-2