VKM_I_Kap.5

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

Zur Vergaservereisung:

Durch die Verdampfung des Kraftstoffes (verstärkt durch den hohen Unterdruck im Vergaser) kommt es zu einem starken Wärmeentzug und damit zur Abkühlung sowohl des Vergasers als auch der Verbrennungsluft.

Herrscht zudem feucht-kühle Witterung (2…8°C und Luftfeuchte > 65%), so kann es zur Vergaservereisung kommen, indem die mit der Ansaugluft eingeführte Feuchtigkeit zu Wasser kondensiert und gefriert. Man unterscheidet:

• Eisbildung an der Drosselklappe bei geringer Last; führt zum Stillstand des Motors im Leerlauf in Folge von Luftmangel
• Eisbildung am Kraftstoffaustritt des Hauptdüsensystems bei anhaltender Volllast; führt zu verringerter Leistung in Folge von Kraftstoffmangel

Beim Dieselkraftstoff interessiert weniger der Verlauf der Siedekurve, da der Kraftstoff in hochverdichtete, heiße Luft eingespritzt wird. Maßgeblich ist das Siedeende.

Siedeende zu hoch:

• Hochsiedende Anteile verbrennen nicht richtig
• Schmierölverdünnung und Rußbildung, Verkokungsneigung
• Beeinträchtigung der Funktion der Einspritzdüsen

Die für die Verdampfung des Kraftstoffes notwendige Verdampfungswärme verursacht eine Abkühlung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Abkühlung des Gemisches beträgt als Richtwert bei:

• Benzin: 20°C
• Benzol: 30°C
• Ethanol: 80°C
• Methanol: 140°C

Eine hohe Verdampfungswärme bewirkt (z.B. Methanol)

• Innenkühlung im Otto- und Dieselmotor durch Wärmeentzug (Verdampfung an heißer Wand)
• Höhere Zylinderfüllung durch Gemischabkühlung (Methanol, Ethanol bei Rennmotoren)
• Kaltstartschwierigkeiten => kalte Wand => keine Verdampfung

5.3.3. Luftbedarf

• 𝑆𝑇L_St=1/0,232∙(2,664∙c𝑐+7,937∙h+0,998∙s𝑠−o𝑜)

  Luftbedarf bei vollständiger Verbrennung

  λ𝜆=m_L/m_LSt𝑇 ,

• λ>1: Luftüberschuss („armes" oder „mageres" Gemisch)
• λ <1: Luftmangel („reiches" oder „fettes" Gemisch)

Der Heizwert H (in [kJ/kg] oder [kJ/m₃]) ist ein Maß für den Energiegehalt des Kraftstoffes. Er wird in einem Kalorimetergefäß ermittelt, wobei die Verbrennung bei festgelegten Bedingungen erfolgt. Entsteht bei der Verbrennung von Wasserstoff als Verbrennungsprodukt Wasser (H₂O), so kann dieses je nach Abgastemperatur dampfförmig oder flüssig vorliegen.

• Der Brennwert H_o (alte Bez. „oberer Heizwert") gibt die Verbrennungswärme des Kraftstoffes einschließlich der Kondensationswärme an.
• Der Heizwert Hu (alte Bez. „unterer Heizwert") gibt die tatsächliche nutzbare Wärmemenge an

Der Heizwert ist um die Menge an auskondensiertem Wasser multipliziert mit der Verdampfungswärme kleiner als der Brennwert. Erfolgt die Verbrennung des Kraftstoffes im Kalorimetergefäß unter:

a) p = const., so gilt für den Heizwert Hu,p:𝐻𝑚𝐵

b) v = const., so gilt für den Heizwert Hu,v:𝑈𝑚𝐵

mit: H’, U’: = Enthalpie, innere Energie des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches bei 25°C, H, U: = Enthalpie, innere Energie der Verbrennungsprodukte bei 25°C

Der Unterschied der beiden Heizwerte Hu,p und Hu,v ist bei den meisten Brennstoffen kleiner als 1 %. Man rechnet deshalb vereinfacht mit:

In Abbildung 5-12 sind die Heizwerte verschiedener Kraftstoffe über dem stöchiometrischen Luftbedarf aufgetragen. Es zeigen sich große Unterschiede zwischen den einzelnen Heizwerten, so dass dem Heizwert ein bedeutender Einfluss für den mobilen Einsatz eines Kraftstoffes hinsichtlich Masse, Volumen, Speichersystem und Reichweite zukommt

Der Gemischheizwert hängt ab von:

• H_u (Heizwert)
• L_ST
• ρ (Dichte für Luft oder Gemisch)
• λ

Für Vergleichszwecke werden H_G(Strich oben) bzw. H_G meist für die stöchiometrische Mischung (λ = 1) angegeben (H_G1(Strich oben), H_G)

Abbildung 5-13 zeigt die Gemischheizwerte verschiedener Kraftstoffe in Abhängigkeit vom stöchiometrischen Luftbedarf.

Die Gemischheizwerte liegen alle in der gleichen Größenordnung, obwohl die Heizwerte stark voneinander abweichen. Die Ursache dafür ist, dass sich der jeweilige stöchiometrische Luftbedarf unterscheidet und sich so die Unterschiede weitestgehend ausgleichen. Annähernd gleiche Werte für den Gemischheizwert besagen, dass die in einem Motor erzielbare Leistung unter Verwendung verschiedener Kraftstoffe ungefähr gleich groß ist.

Einfluss des Gemischheizwertes auf die Leistungsregelung: Bild

5.3.6. Reinheit, Verkokungsneigung, Fließverhalten

Reinheit: Die Kraftstoffe müssen frei von festen Verunreinigungen sein, sonst:

Diesel: Verstopfen der Pumpen, Leitungen und Düsen; deshalb gesonderte, sorgfältige Filterung des Dieselkraftstoffes im Fahrzeug

Otto: Ottokraftstoffe müssen harzfrei sein, sonst kommt es zu Ablagerungen in den Einspritzdüsen (Vergaser) und in den Ansaugwegen; Prüfung auf Abdampfrückstand nach DIN 51776; Additive Verkokungsneigung siehe 5.3.7.

Dieselkraftstoffe sollen, um eine einwandfreie Funktion von Einspritzdüse und -nadel zu gewährleisten, eine geringe Verkokungsneigung haben. Prüfung auf Koksrückstand nach dem Conradson-Test laut DIN 51551.

Otto: Der Kristallisationspunkt (Temperatur, bei der erstmalig Kristalle ausscheiden) liegt bei üblichen Kraftstoffen so tief, dass diesbezüglich keine Probleme auftreten.

Diesel: Das Fließ-/ Kälteverhalten des Dieselkraftstoffes wird nach der „Filtrierbarkeit" beurteilt (Fähigkeit, das Kraftstoff-Filter zu passieren). Wird der Kraftstoff in der Kälte zähflüssig oder kommt es bereits zum Ausscheiden fester Bestandteile (Paraffin), so wird der Widerstand am Filter (Verstopfen der Poren) so groß, dass die Kraftstoffförderung beeinträchtigt oder sogar unterbrochen wird. Nach DIN 51601 muss die Filtrierbarkeit gewährleistet sein (bis 0 °C im Sommer und -12 °C im Winter). Bei plötzlichen Kälteeinbrüchen oder Tagen mit extrem niedrigen Temperaturen kann es beim Dieselmotor zu Problemen kommen. Hier hilft die Zumischung von Petroleum oder Benzin in der Größenordnung von 10...20 (30) %. Eine andere Variante ist das Heizen der Kraftstoffleitung. So ist auch im Winter ein Betrieb mit Sommerdiesel möglich und nach dem Kaltstart noch flüssiger Kraftstoff verfügbar. Bis Paraffin das Filter erreicht, ist das System schon aufgeheizt.

Additive sind chemische Zusätze zu Mineralölprodukten, die

• Vorhandene Eigenschaften ändern bzw. verbessern

• Zusätzliche Eigenschaften hervorrufen

Wesentliche Additive sind:

Antiklopfmittel: Die Verwendung von Bleiverbindungen im Kraftstoff zur Oktanzahlerhöhung wurde durch die Erhöhung des Gesamtaromatengehaltes und Zusatz von Ethern abgelöst.

MTBE (Methyl-Tertiär-Butyl-Ether) wird dem SuperPlus-Kraftstoff als oktanzahlerhöhende Komponente (ROZ = 114) beigemischt. Nach der EG-Richtlinie 85/536/EWG ist eine maximale Konzentration von 15 % MTBE im Kraftstoff zulässig.

Zündbeschleuniger: Steigerung der Zündwilligkeit; die Entzündungstemperatur wird herabgesetzt und die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu.

Rückstandsumwandler: Beseitigen Ablagerungen im Brennraum von Ottomotoren (der Rückstand besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und Additivrückständen des Schmieröls).

Antioxidantien: Bei der Lagerung von Kraftstoffen unter Sauerstoffeinfluss kommt es zur Autooxidation des Kraftstoffes, wobei harzartige, klebrige Ablagerungen entstehen. Die Antioxidantien verhindern die Veränderung des Kraftstoffes unter Sauerstoffeinwirkung.

Metalldeaktivatoren: Die im Kraftstoff vorhandenen Metallspuren haben eine katalytische Wirkung, so dass es zur Polymerisation des Kraftstoffes kommt und Harzablagerungen entstehen - Metalldeaktivatoren verhindern dies.

Korrosionsinhibitoren: Sie sind hauptsächlich langkettige, hochmolekulare Verbindungen, die den Wasserfilm unterwandern, einen Schutzfilm bilden und somit einen wirksamen Korrosionsschutz darstellen.

Vereisungshemmstoff: Gefrierpunkterniedrigende Substanzen: Sie sind kraftstoff- und wasserlöslich, binden die Feuchtigkeit der Luft und erniedrigen den Gefrierpunkt von Wasser.

Filtrierbarkeitsverbesserer: Sie verhindern nicht die Paraffinausscheidung, sondern nehmen lediglich Einfluss auf die Form und Größe der ausgeschiedenen Paraffine, so dass der Dieselkraftstoff auch bei tiefen Temperaturen noch fließ- und pumpfähig bleibt. Die Wirkung hängt stark von der Zusammensetzung und der Herkunft des Kraftstoffes ab, so dass bei verschiedenen Dieselkraftstoffen und gleichem Additiv die Einflüsse sehr unterschiedlich sein können

Zündtemperatur und Flammpunkt sind physikalische Eigenschaften der Kraftstoffe, jedoch keine Konstanten, da sie von den herrschenden Randbedingungen abhängen.

• Zündtemperatur: Unter der Zündtemperatur versteht man die niedrigste Temperatur, bei der sich der Kraftstoff in Berührung mit Luft selbst entzündet und weiterbrennt.

• Mit Flammpunkt bezeichnet man die niedrigste Temperatur, bei der in einem offenen Gefäß gerade so viel Kraftstoff verdampft ist (zündfähiges Gemisch), dass durch Annäherung einer Zündquelle (Fremdzündung) eine helle Flamme entsteht, die aber nicht weiterbrennt.

Zündtemperatur und Flammpunkt legen die untere und obere Zündgrenze fest, innerhalb derer ein Kraftstoff-Luftgemisch durch Fremdzündung entflammt werden kann (die Zündgrenzen sind hier als Temperaturgrenzen zu verstehen und berücksichtigen noch nicht den Einfluss von λ). Zur Kennzeichnung des Kraftstoffverhaltens sind beide Größen allein nicht ausreichend. Deshalb sind weitere Kriterien zur Charakterisierung des Brenn- bzw. Zündverhaltens von Kraftstoffen notwendig

Das Zündverhalten eines Kraftstoffes hängt wesentlich von seiner Neigung ab, sich selbst zu entzünden („Zündwilligkeit").

Die Tendenzen der der einzelnen Anteile sind in Abbildung 5-14 dargestellt.

a) Dieselkraftstoff:

Er muss eine möglichst hohe Zündwilligkeit aufweisen, d.h. die Molekülketten müssen leicht zerfallen. Eine geringe Zündwilligkeit führt dazu, dass sich schon eine größere Menge an aufbereitetem Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum befindet, wenn die Selbstzündung erfolgt. Dies führt dann vor allem beim DI-Dieselmotor zu einem entsprechend steilen Druckanstieg (starker Einfluss auf das Geräuschverhalten).

Als Maß für die Zündwilligkeit des Dieselkraftstoffes gilt die Cetanzahl (CZ). Die Bestimmung der Cetanzahl erfolgt mit Hilfe eines Bezugsstoffs:

Die Cetanzahl besagt, wie viel Volumenprozente Cetan (CZ = 100) sich in einem Gemisch mit α-Methylnaphthalin (CZ = 0) befinden, welches in einem Prüfmotor denselben Zündverzug besitzt wie der zu untersuchende Kraftstoff.

Als Zündverzug [sec./°KW] bezeichnet man die Zeit, die zwischen Einspritzbeginn und Verbrennungsbeginn vergeht.

Die Cetanzahl-Bestimmung erfolgt nach DIN 51773 in einem CFR (Cooperative Fuel Research Committee)- oder BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik AG)-Einzylinder-Prüfmotor, siehe Tabelle 5-2.

Praktische Vorgehensweise:

Der Zündverzug-Sollwert für die Kraftstoffprobe wird beim CFR-Prüfmotor durch die Änderung des Verdichtungsverhältnisses, beim BASF-Prüfmotor (mit fest eingestellter Verdichtung) durch Drosselung der Ansaugluft eingestellt. Eine entsprechende Einstellung des Zündverzug-Sollwertes erfolgt für verschiedene Mischungen des Bezugskraftstoffs. Durch den Vergleich des Luftdurchsatzes (BASF-Prüfmotor) bzw. des Verdichtungsverhältnisses (CFR-Prüfmotor) bei Verwendung der Probe und bei Verwendung des Bezugskraftstoffs und gegebenenfalls Interpolation erhält man die Cetanzahl des untersuchten Dieselkraftstoffs.

b) Ottokraftstoff: Der Zündverzug stellt beim Ottomotor eine untergeordnete Rolle dar, weil mit Fremdzündung gearbeitet wird und eine Vorzündung eingestellt werden kann. Gefordert wird eine geringe Zündwilligkeit, damit der von der Flammenfront noch nicht erfasste Teil der Ladung (Gemischrest/ Restgas) sich nicht selbst entzündet. Kommt es zu einer Selbstzündung, so entstehen durch die zweite Verbrennungszone zu starke Druckanstiege bzw. Gasdruckschwingungen im Zylinder. Dieser Vorgang ist nach außen durch ein charakteristisches Geräusch - das Klopfen oder Klingeln - hörbar.

Als Maß für die Zündunwilligkeit oder Klopffestigkeit dient die Oktanzahl (OZ). Sie gibt an, wie viel Volumenprozente Iso-Oktan eine Mischung aus Iso-Oktan (OZ = 100) und n-Heptan (OZ = 0) enthält, die dieselbe Klopfintensität verursacht wie der zu prüfende Kraftstoff.

Die Oktanzahlbestimmung erfolgt nach DIN 51756 in genormten Einzylinder-Prüfmotoren, deren Verdichtungsverhältnis variierbar ist (Zylinder und Zylinderkopf sind gegenüber dem Kolben/ Kurbeltrieb verschiebbar). Zugelassen sind:

• CFR-Motor
• BASF-Motor

Um die Versuchsbedingungen den praktisch verwendeten Motoren anzupassen, haben sich zwei Prüfmethoden durchgesetzt:

• Research-Methode (F1-Methode) > Research-Oktanzahl ROZ
• Motor-Methode (F2-Methode) > Motoroktanzahl MOZ

Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die einzuhaltenden Betriebsbedingungen bei der Oktanzahlbestimmung: Tabelle

Praktische Vorgehensweise:

Bei der Prüfung eines Kraftstoffs wird das Verdichtungsverhältnis solange erhöht, bis eine bestimmte Klopfintensität erreicht ist. Die Klopfintensität wird mit einem Klopfsensor, z.B. dem Phillips-Detonationsmeter, gemessen. Das Luftverhältnis wird solange variiert, bis die maximale Klopfintensität angezeigt wird. Die Verdichtung wird dann nochmals auf die gegebene Klopfintensität nachgestellt. Ohne Änderung der Verdichtung werden die maximalen Klopfintensitäten zweier Mischungen (Vergleichskraftstoffe) aus Iso-Oktan und n-Heptan bestimmt, von denen die eine stärker und die andere schwächer als der zu untersuchende Prüfkraftstoff klopft. Durch lineare Interpolation der maximalen Klopfintensitäten erhält man die Oktanzahl der Probe. Ein Maß für die Klopffestigkeit gasförmiger Kraftstoffe ist die Methanzahl (MZ). Sie gibt an, wie viele Volumenprozente Methan eine Mischung aus Methan (MZ = 100) und Wasserstoff (MZ = 0) enthält, die dasselbe Klopfverhalten zeigt wie der zu prüfende Kraftstoff.

Der im Rohöl enthaltende Schwefel wird durch die Verarbeitung und zusätzliche Maßnahmen in Raffinerien gesenkt.

In der DIN EN 590 und DIN EN 228 vom März 2004 ist der Grenzwert für Schwefel bei Diesel- und Ottokraftstoff mit 50 ppm angegeben. Kraftstoffe in Deutschland weisen üblicherweise Schwefelanteile von weniger als 10 ppm auf.

Der im Kraftstoff enthaltene Schwefel wird während der Verbrennung im Motor oxidiert. Das dabei gebildete Schwefeldioxid (SO₂) und Schwefeltrioxid (SO₃) bildet mit dem im Abgas enthaltenen Wasser schweflige Säure (H₂SO₃) und Schwefelsäure (H₂SO₄)

Schweflige Säure und Schwefelsäure sind für den „Sauren Regen" mitverantwortlich. Der Schwefelgehalt im Kraftstoff hat Einfluss auf die Abgasemissionen und auf Abgasnachbehandlungssysteme.

In Abbildung 5-19 ist die CO

2-Emission einiger Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit von der Anzahl der C-Atome der Moleküle aufgetragen.

In Abbildung 5-20 und Abbildung 5-21 sind die CO₂-Emissionen und die Energiegehalte pro kg Brennstoff für Diesel, Super, RME und Methanol wiedergegeben

5.4. Herstellung

Je nach Fundort haben die Erdöle unterschiedliche Zusammensetzungen. Im Mittel gelten folgende Anhaltswerte für die Gewichtsanteile:

• Kohlenstoff 82 ...... 87%
• Wasserstoff 10 ...... 14%
• Schwefel 0,01 ..... 7%
• Stickstoff 0,01 ..... 2,2%

Die Hauptbestandteile des Erdöls sind Paraffine und Naphthene. Olefine kommen selten vor; der Anteil der Aromaten und Naphthene ist stark von der Herkunft abhängig. Das natürliche Benzin etwa kann daher den Oktanzahlbedarf üblicher Motoren nicht erfüllen, so dass in bestimmten Verarbeitungsverfahren die gewünschte Qualität bereitgestellt werden muss.  

Die Raffinerieverfahren lassen sich in zwei Gruppen aufteilen:

Trennverfahren (physikalisch):

- Destillieren, Absorbieren, Filtern, Extrahieren (mit Lösungsmitteln)

Umwandlungsverfahren (chemisch):

- Cracken, Reformieren, Polymerisieren, Hydrieren, Isomerisieren, Alkylieren

Neben der Auftrennung und Umwandlung ist die Abschlussarbeit des Mischens von Bedeutung. Hierdurch kann in bestimmtem Umfang das Verhältnis zwischen dem gewonnenen Otto- und Dieselkraftstoff bzw. Heizöl beeinflusst und spezielle Eigenschaften nach den Anforderungen des Abnehmers erzielt werden (Zumischen von Kraftstoffadditiven). Hierzu gehört das Beigeben von MTBE zur Steigerung der Klopffestigkeit.

Destillieren

• Auftrennen des Rohöls in Teildestillate, die bei verschiedenen Temperaturen aufgefangen werden („fraktionierte Destillation"); dadurch werden die Kohlenwasserstoffe nach ihrer Molekülgröße geordnet.

Cracken

• Aufspalten hochmolekularer Kohlenwasserstoffe in kleinere, weniger zündwillige Moleküle (Auflösen von C-C- oder C-H-Bindungen)
• Unterscheidung zwischen thermischen und katalytischen Crackverfahren; letzteres herrscht heute vor
• Endprodukte des Crackprozesses: Crackgas, klopffeste Benzinkomponenten, Dieselkraftstoffe, Heizöle u.a

Reformieren

• Katalytisches Verfahren werden gegenüber dem thermischen bevorzugt
• Das Einsatzgut, Schwerbenzin aus der Destillation, wird durch kurzes katalytisches Cracken umgewandelt; dabei entstehen aus Paraffinen und Naphthenen klopffeste Aromaten

Polymerisieren

• Katalytisches Zusammenschließen kurzer Kohlenwasserstoffe (gasförmig) zu größeren Molekülen (flüssig)
• Einsatzgut sind gasförmige Kohlenwasserstoffe, die insbesondere beim Cracken und Reformieren anfallen

Hydrieren

• Anlagerung von Wasserstoff an Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff zur Reinigung des Kraftstoffs
• Anlagerung von Wasserstoff an ungesättigte Verbindungen zwecks Vermeidung der Verharzungsneigung

Isomerisieren und Alkylieren

• Herstellung von i-Paraffinen (katalytische Umwandlung)
• Einsatzgut sind n-Paraffine (Isomerisieren) und ein Gemisch aus Olefinen und i-Paraffinen (Alkylieren)

Hydrofining

• Herabsetzung des Schwefelgehaltes besonders im Dieselkraftstoff
• Verbindungen des bei anderen Verfahren anfallenden Wasserstoffs mit dem Schwefel zu Schwefelwasserstoff, welcher sich leicht abtrennen lässt

5.5. Fossile Kraftstoffe

Als fossile Kraftstoffe werden im Folgenden solche Kraftstoffe bezeichnet, die durch den Abbau oder die Förderung nicht nachwachsender Ressourcen und deren Aufbereitung entstehen. Moderne Technologien ermöglichen heutzutage die Synthese solcher Kraftstoffe aus nachwachsenden Ressourcen, worauf in Kapitel 5.6.4 eingegangen wird.

Aus der Vielzahl der fossilen Kraftstoffe seien die Folgenden näher erläutert.

5.5.1. Erdgas:

Erdgas wird beim Entspannen von Erdöl am Bohrloch frei. Es besteht hauptsächlich (rund 85%) aus Methan mit veränderlichem Anteil an Ethan, Propan und Butan.

Gut geeignet für optimale Ausnutzung der fossilen Energiereserven (aufwendige Auto-Technik notwendig); Leckageverluste beschleunigen den Treibhauseffekt

CNG (Compressed Natural Gas): Leistungseinbußen auf Grund des niedrigeren Heizwertes, wird im Fahrzeug meist bivalent mit Benzin als Alternative verwendet, an Tankstellen werden zwei unterschiedliche Erdgasqualitäten verkauft. Das H-Gas (High caloric gas) besteht aus 87 bis 99,1 % Methan und das L-Gas (Low caloric gas) besteht aus 79,8 bis 87 % Methan, womit ein etwa 30 % niedrigerer Heizwert einhergeht

LNG (Liquefied Natural Gas): noch im Entwicklungsstadium

5.5.2. Flüssiggas (Autogas):

Ist ein unter Druck verflüssigtes Gemisch aus Propan und Butan. Es fällt als erste Fraktion beim Destil-lieren des Rohöls an. Die Anforderungen an LPG (Liquefied Petroleum Gas) sind in der DIN EN 589 festgelegt.

5.5.3. Gasöl:

Gasöl ist die Erdölfraktion, die zwischen 250°C und 350°C siedet. Aus ihr werden Dieselkraftstoff und Kerosin gewonnen.

5.5.4. Ottokraftstoffe:

Ottokraftstoffe sind ein Gemisch aus Fraktionen der Erdöldestillation und aus Produkten, die durch verfahrenstechnische Behandlung höher siedender Erdölfraktionen gewonnen werden. Wichtigstes Verfahren zur Herstellung von hochwertigen Ottokraftstoffen ist das Cracken. Beim Cracken entstehen die zum Betrieb moderner Motoren notwendigen klopffesten Aromaten und i-Paraffine. Die Anforderungen an unverbleite Ottokraftstoffe sind in der DIN EN 228 festgelegt

5.5.5. Petroleum:

Petroleum wird bei der fraktionierten Destillation dem Rohöl nur im Bedarfsfall entnommen. Durch „Strippen" (beim Strippen werden Inhaltsstoffe einer Flüssigkeit durch das Durchleiten von Gas aus der Flüssigkeit entfernt und in das Gas überführt) werden die hohen Qualitätsanforderungen an dieses Produkt erfüllt.

5.5.6. Kerosin:

Kerosin ist ein Erdölprodukt, das als Düsenkraftstoff verwendet wird. Um einen tiefen Stockpunkt (Punkt bei dem sich erste Paraffintröpfchen bilden) zu erreichen, müssen n-Paraffine entfernt werden. Der Aromatengehalt ist niedrig.

5.5.7. Dieselkraftstoff:

Dieselkraftstoff ist ein Erdölprodukt, welches aus der Schwerbenzin- und Gasölfraktion gewonnen wird. Um die vom Markt nachgefragte Menge decken zu können, wird durch Hydrocracken zusätzlich Dieselkraftstoff aus den hochsiedenden Erdölfraktionen hergestellt. Die Anforderungen an Dieselkraftstoff sind in der DIN EN 590 festgelegt.

Verkehrspolitisch:

• Zunahme der Verkehrsdichte ->Energieverbrauch steigt

Umweltpolitisch:

• Zunahme der CO2-Emissionen -> Verstärkung des Treibhauseffekts
• Verschlechterung der SO2-Bilanz -> Zerstörung der Wälder durch sauren Regen
• Durch die Verkehrsdichte Zunahme der NOx, HC, CO und Partikelemission -> allgemeine Vergiftung von Flora und Fauna

Agrarpolitisch:

• Nutzung stillgelegter Flächen
• Beschäftigungssicherung

Weltwirtschaftlich:

• Autonomiegedanke
• Insgesamt begrenzte Verfügbarkeit fossiler Ressourcen

Als biogene Kraftstoffe werden im Folgenden solche Kraftstoffe bezeichnet, welche durch die Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe entstehen. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die genannten Kraftstoffe auch aus Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, etc. fossiler Herkunft synthetisiert werden können, wodurch selbstverständlich der Anspruch auf die vielzitierte „CO₂-Neutralität", verfällt.

Alkohole als Motorenkraftstoffe:

Bioethanol:

• Kosten hoch; Gefahr der Gewässerbelastung durch auslaufenden Kraftstoff; Erträge für eine umfassende Versorgung zu gering
• Aus Agrarprodukten, meist Zuckerrohr oder Lignozellulose, gewonnen; hohe Klopffestigkeit; meist als Blend E85 im Fahrzeug verwendet

Biomethanol:

• Wenig smogrelevantes Abgas (Clean Fuel); Kaltstartprobleme; wenig CO2 im Abgas; korrosiv; giftig; zündunwillig; Gefahr der Gewässerbelastung durch auslaufenden Kraftstoff; dennoch Chance als einfach zu handhabender Zukunftskraftstoff

Alkohole allgemein: Bild

Biomethan: Auch Biogas genannt; entsteht als Stoffwechselprodukt beim anaeroben Abbau organischer Substanz durch Bakterien; in Reinform ist Biogas nicht nutzbar, da es sich aus lediglich 50 bis 75 % Methan zusammensetzt und wird deshalb mit Methan angereichert, um den gleichen Energieinhalt wie Erdgas zu erhalten

Biomass to Liquid (BtL): Synthetischer Kraftstoff, gewonnen aus Bioabfällen, Holzabfällen, Stroh und Resten aus der Landwirtschaft; aus der Biomasse wird ein Synthesegas extrahiert, das wiederum meist mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese zu flüssigem Kraftstoff weiterverarbeitet wird

Raps-Methylester (RME): Nur kleine positive Energiebilanz; keine Entlastung des Treibhauseffekts; merkbare Geruchsentwicklung; Zunahme des Verbrauchs; Ölverdünnung; keine flächendeckende Versorgung möglich

Nur kleine positive Energiebilanz; keine Entlastung des Treibhauseffekts; merkbare Geruchsentwicklung; Zunahme des Verbrauchs; Ölverdünnung; keine flächendeckende Versorgung möglich

Besonderheiten beim Einsatz von RME:

• Durchschnittsverbrauch steigt leicht an
• Gasförmige Abgasemissionen sind grundsätzlich gleich
• Partikelemission nicht eindeutig
  • - IDI-Motor (Testzyklus: FTP 75)  Partikelemission steigt leicht an, Rußanteil verringert sich, angelagerte HC nehmen zu
  • - IDI-Motor (Testzyklus: Transient Test) Partikelemission nimmt leicht ab, Rußanteil verringert sich, angelagerte HC nehmen leicht zu
• Kraftstoffadditive (Fließverbesserer) für Motorbetrieb bei niedrigen Temperaturen (≤ -7°C)
• Intensiver Geruch → mit Oxidationskatalysator kaum noch wahrnehmbar
• Gefahr der Ölverdünnung
• Geänderte Kraftstoffleitungen und Dichtungen erforderlich
• Korrektur des Einspritzzeitpunktes (ca. 2 °KW später), um Basis-NOx -Emissionen zu erhalten (O2-Gehalt bewirkt eine schnelle Verbrennung )

Abbildung 5-30 veranschaulicht, wie groß die mögliche Reichweite eines Fahrzeugs im Betrieb mit verschiedenen Biokraftstoffen ist, die aus der Biomasse eines Hektars Anbaufläche gewonnen werden.

Der Kostenaufwand um Biokraftstoffe bereitstellen zu können, kann durch die Nutzung bereits bestehender Infrastruktur deutlich verringert werden. Erdgas kann beispielsweise mit regenerativ hergestelltem Wasserstoff und Biomethan angereichert werden und über das existierende Erdgas-Pipelinenetz zum Verbraucher gefördert werden. Ein Einsatz von reinem Wasserstoff oder Biogas ist damit nicht mehr zwingend erforderlich, um die CO₂-Emissionen positiv zu beeinflussen. Auf gleichem Ansatz beruht die Beimischung von Bioethanol und Biodiesel zu Otto- und Dieselkraftstoff. Bislang müssen jedoch die Fahrzeughersteller ihre Produkte auf den steigenden Biokraftstoffanteil anpassen. Dieser Problematik könnte mit der Beimischung synthetischer Designerkraftstoffe begegnet werden.

5.6.3. Wasserstoff

Energieträger mit sauberem Abgas und hoher Energiedichte; Voraussetzung: Schaffung umweltfreundlicher/regenerativer Kraftwerke; technischer Aufwand relativ hoch: Speicherung; Startverhalten, Dichtheit des Systems

Hohe Einstiegshürde bei Wasserstoff als Kraftstoff, weil umfangreiche Investitionen in die fehlende Infrastruktur zur Versorgung der Endkunden notwendig wären

Wasserstoff kommt in seiner reinen Form nicht natürlich vor und muss deshalb unter Einsatz von Primärenergie aus Verbindungen gewonnen werden. Die jährliche Wasserstoffproduktion beläuft sich weltweit auf mehr als 600 Mrd. Normkubikmeter (Nm³). Davon stammen 40 % aus Industrieprozessen, bei denen Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt und 60 % aus Prozessen zur reinen Wasserstofferzeugung. [EIC10]

Wasserstoff besitzt im Vergleich zu den konventionellen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel ungefähr die dreifache Energiemenge pro Kilogramm, allerdings ist die volumetrische Energiedichte von Wasserstoff deutlich geringer als die von Benzin. Daher besteht die wesentliche technische und wirtschaftliche Herausforderung bei der Gestaltung des Wasserstoffspeichers darin, eine maximal mögliche volumetrische Energiedichte bei hoher Sicherheit zu erzielen.

Die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger zur Verbrennung in der klassischen Verbrennungskraftmaschine bietet folgende Vor- und Nachteile

So genannte synthetische Kraftstoffe sind flüssige Kraftstoffe mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften wie Benzin oder Diesel. Sie werden aus Erdgas (Synfuel) oder Biomasse (Sunfuel) erzeugt. Synthetischen Kraftstoffen werden im Allgemeinen drei Vorteile zugesprochen:

Abbildung 5-32 zeigt die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen den Abgasemissionen eines mit herkömmlichem Dieselkraftstoff, bzw. synthetischem Kraftstoff, betriebenen VW Golf TDI. Die Applikation des Fahrzeugs auf die Abgasnorm EURO IV, bei Verwendung von konventionellem Dieselkraftstoff, wurde für den Betrieb mit Synfuel nicht verändert. Die Reduzierung der Partikelemissionen um 26 % beruht auf der Schwefel- und Aromatenfreiheit des synthetischen Kraftstoffs. Die Absenkung der HC- und CO-Emissionen wird von VW durch eine verbesserte Verbrennung begründet, die zudem weniger anfällig gegen hohe AGR-Raten ist. Somit wäre durch eine Anpassung der ECU an den verwendeten Kraftstoff noch mit einer Verbesserung im Bezug auf die Stickstoffoxidemissionen zu rechnen.

Die Eigenschaften des verwendeten synthetischen Kraftstoffs im Vergleich zu handelsüblichem Dieselkraftstoff sind in der folgenden Tabelle aufgetragen. Hervorzuheben ist hier besonders die Aromaten- und Schwefelfreiheit, sowie die hohe Cetanzahl des synthetischen Kraftstoffs.

b) Reduzierung der CO₂-Emissionen durch:

Verhinderung des Abfackelns von Erdgas bei der Erdölgewinnung, wenn Erdgas als Basis für die Herstellung von synthetischem Kraftstoff dient.

Schaffung eines nahezu geschlossenen CO2-Kreislaufs, wenn Biomasse als Basis für die Herstellung von synthetischem Kraftstoff dient.

c) Anpassung der Kraftstoffeigenschaften an die Bedürfnisse neuartiger Brennverfahren

Um in Zukunft die Wirtschaftlichkeit von Dieselmotoren mit dem günstigen Emissionsverhalten von Ottomotoren zu vereinen, wird seit geraumer Zeit an der Entwicklung neuer Brennverfahren gearbeitet. Herkömmliche Kraftstoffe beinhalten eine Vielzahl verschieden langer Molekülketten, die unterschiedlich früh verdampfen bzw. zünden. Dadurch wird die genaue Einhaltung der Randbedingungen für die Realisierung solcher Brennverfahren erschwert. Durch die Möglichkeit die Kettenlängen der Moleküle gezielt und reproduzierbar zu beeinflussen, vergrößern sich auch die Möglichkeiten für die Verwirklichung dieser neuen Verfahren. Insgesamt führt dies zu einer Annäherung der otto- und dieselmotorischen Verbrennung und im Extremfall zu dem von VW propagierten „combined combustion system".

Durch eine synthetische Anpassung der Kraftstoffeigenschaften lässt sich beispielsweise das Emissionsverhalten konventioneller Dieselmotoren deutlich unterschreiten. Für niedrigere Emissionen lassen sich folgende Anforderungen an synthetischen Dieselkraftstoff ableiten:

• Sauerstoffgehalt im Kraftstoff von ca. 20 Massen-% als Kompromiss zwischen Heizwertreduktion und Rußminderungspotential
• Längerer Zündverzug für eine verbesserte Gemischaufbereitung
• Aromatenfreier Kraftstoff
• Gute Verdampfungseigenschaften unter Beachtung des kritischen Flammpunkts bei Dieselkraftstoffen (> 55°C entsprechen EN 590-Norm)
• Materialverträglichkeit mit den eingesetzten Polymermaterialien
• Ausreichende Schmierfähigkeit evtl. durch Additivierung sicherstelle

Bei der Herstellung von synthetischem Kraftstoff, sowohl aus Erdgas als auch aus Biomasse, muss zunächst das so genannte Synthesegas (CO + 2H₂) erzeugt werden. Dazu wird beim GtL (Gas to Liquid) das Erdgas in einem Reformer mit Hilfe von Wasserdampf und Katalysatoren in Synthesegas umgewandelt. Beim BtL (Biomass to Liquid) findet zurzeit das sogenannte Choren-Verfahren am häufigsten Anwendung. In diesem Fall wird das Synthesegas durch die Vergasung von Biomasse (Holz, Pflanzenabfälle, etc.) erzeugt. Anschließend muss das Gas in beiden Fällen von Verunreinigungen, wie Schwefel, Chlor oder Kohlendioxid befreit werden. An die Synthesegaserzeugung bzw. die Gasreinigung schließt sich die Fischer-Tropsch-Synthese an, in der das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff zu Kohlenwasserstoff und Wasser reagieren. Bei der Fischer-Tropsch-Synthese handelt es sich um ein in den 20er Jahren entwickeltes Verfahren, bei dem eine Reaktion von CO/ H2-Gemischen an Eisen- oder Cobalt-Katalysatoren zu Paraffinen, Olefinen und Alkohol stattfindet. Die Reaktion läuft bei Drücken zwischen 1 und 30 bar und Temperaturen von 160 bis 350 °C ab. In Abhängigkeit von Druck und Temperatur werden Leichtsieder (z.B. Naphtha) oder Schwersieder (Diesel) synthetisiert. Die Reaktion verläuft nach der allgemeinen Forme

Neben der Fischer-Tropsch-Synthese gibt es noch weitere Verfahren, um aus Synthesegas, das aus verschiedenen Prozessen gewonnen wurde, alternative Kraftstoffe herzustellen.

Abbildung 5-35 illustriert die Synthesepfade auf denen das Synthesegas in die unterschiedlichen Endprodukte (Synthesekraftstoffe) umgewandelt werden kann. Vor der Verarbeitung des Rohsynthesegases wird es von Partikeln, CO₂, HCl und Spurenstoffen gereinigt, die in der nachfolgenden Synthese stören. Verschiedene katalytische Prozesse führen vom Synthesegas entweder direkt zu Kohlenwasserstoffgemischen, die je nach gewünschtem Produktspektrum aufgetrennt werden müssen oder über das Methanol zu Dimethylether weiter zu Olefinen (Methanol to Olefins – MtO) und schließlich zu Benzin (Methanol to Gasoline – MtG) oder Dieselkraftstoffen (Methanol to Synfuel – MtS).

Eine weitere Möglichkeit, einen Kraftstoff synthetisch herzustellen, bietet der Ansatz, mit Wasserstoff und CO₂ als Reaktionspartner, Methan zu gewinnen, das als synthetisches Erdgas zum Betrieb von Ottomotoren in Fahrzeugen verwendet werden kann. Dieser Ansatz wird seit Sommer 2011 im Audi E-Gas Projekt verfolgt. Die notwendige Energie zur Herstellung von Wasserstoff wird dabei durch überschüssige Windenergie aus zukünftigen Offshore-Windparks zur Verfügung gestellt, an denen Audi direkt beteiligt ist. Mit dem Projekt stellet Audi drei Energieträger bereit: elektrischen Strom, Wasserstoff und Methangas (siehe auch Kapitel 5.6.5 Elektrokraftstoffe).

Das Bioliq-Verfahren:

Die konventionelle Erzeugung alternativer Kraftstoffe aus Synthesegasen erfordert für einen wirtschaftlichen Betrieb möglichst große Produktionsanlagen. Das Bioliq-Verfahren, das vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt wurde, stellt eine Variante der Kraftstofferzeugung dar, die eine dezentrale Vorbehandlung der Biomasse in regional verteilten Anlagen erlaubt. Dieses Verfahren umfasst mehrere Prozessschritte.

Die Vorbehandlung der Biomasse erfolgt durch eine sogenannte Schnellpyrolyse. Der Einsatzstoff wird fein zerkleinert und unter Luftausschluss mit heißem Sand als Wärmeübertrager in einem Doppelschneckenreaktor innerhalb von Sekunden auf 500 °C aufgeheizt und dabei zu hochporösem Koks und heißen Dämpfen zersetzt. Ein Großteil der Dämpfe lässt sich zu einem braunen Pyrolyseöl verflüssigen. Koks und Pyrolyseöl werden zum Biosyncrude (von Crudeoil, Rohöl) angemischt, der rund 85 % der ursprünglich in der Biomasse gespeicherten Energie enthält, aber nur weniger als ein Zehntel des Ausgangsvolumens besitzt und dessen Energiedichte etwa mit Braunkohle vergleichbar ist. [MTZ10]

Dieses Zwischenprodukt kann stabil gelagert und transportiert werden und ist ein gut geeigneter Brennstoff für den nächsten Verfahrensschritt. Biosyncrude kann in einer Vergasung mit Sauerstoff bei 1200 °C zu einem teerfreien, methanarmen Synthesegas umgesetzt werden, wie es für die oben aufgeführten chemischen Synthesen notwendig ist