Kraftstoffe (1)
Was uns antreibt - Über Kraftstoffe

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Grundwissen Lernfeld 8 - Mechatronische Systeme des Antriebsmanagements diagnostizieren

Einführung in die Kraftstoffe im Auto

Es ist eine Binsenweisheit: Der Verbrennungsmotor im Automobil benötigt Kraftstoff. Ohne Treibstoff läuft er nicht, ohne Kraftstoff gibt es keinen Antrieb, kein Fortkommen. Aber in letzter Zeit wird viel über den richtigen Motor und dadurch auch über den richtigen Kraftstoff diskutiert. Was sollte für den Autofahrer die erste Wahl beim Tanken sein? Ein Otto oder ein Diesel, oder doch lieber besser gleich alternativ, einen mit Gas betriebenen Verbrennungsmotor wählen? Oder sollte erst gar kein Verbrennungsmotor in Betracht gezogen werden und gleich auf den elektrischen Antrieb gesetzt werden?

In diesem Artikel kann kfztech.de darauf keine abschließenden Antworten geben. Denn die Frage, welcher Antrieb in der nächsten Zukunft vorrangig sein wird, ist ein langwieriger gesellschaftlicher Prozess, der den Bürger, die Politik und die Autohersteller bewegt und vor viele Fragen stellt. Eine Antwort darauf wird es aber sicherlich in den nächsten Jahren geben. kfztech.de will sich hier darauf beschränken zu erläutern, was Kraftstoffe eigentlich sind, welche es denn derzeit gibt und welche Eigenschaften, Vor- und Nachteile sie haben.

Seinen Kraftstoffvorrat aufzufüllen, ist bei Benzin sehr bequem und ist die immer noch am häufigsten anzutreffende Kraftstoffart. - Bild Aral

Kraftstoff Definition

Im Wikipedia Internet Lexikon heißt es: „Ein Kraftstoff ist ein Brennstoff, dessen chemische Energie durch Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen (Verbrennungsmotor, Gasturbine, …) und Raketentriebwerken in Antriebskraft umgewandelt wird.“ Ein wichtiger Hinweis verbirgt sich in diesem Satz: „chemische Energie“. Denn im Kraftstoff ist die Energie chemisch gespeichert und wird erst während der Verbrennung mit dem Luftsauerstoff im Zylinder des Motors zunächst in thermische Energie und dann in kinetische Energie, sprich in Vortrieb, umgewandelt.

Kraftstoffe sind Gemische aus einer Vielzahl von verschiedenen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen. Die Moleküle unterscheiden sich in ihrer Anzahl und ihrem Aufbau. Man bezeichnet sie schlicht als Kohlenwasserstoffe. Diese werden in der Regel durch Raffination und weiteren Verfahren aus Rohöl oder Erdgas gewonnen, können aber auch synthetisch hergestellt werden.

Im Forschungslabor des Kraftstoffherstellers werden unterschiedliche Diesel Proben untersucht. - Bild Aral

Neben den "natürlichen" Bestandteilen sind den flüssigen Kraftstoffsorten Additive beigefügt, also chemischen Zusätzen, die unterschiedliche Funktionen übernehmen. So dienen Additive etwa als Antiklopfmittel, zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften oder auch zur Reinigung des Ansaugsystems. Allen Kraftstoffen (Tabelle 1) gemein ist, egal ob flüssig oder gasförmig, dass für die Verbrennung der Sauerstoff der Luft als Oxidationsmittel dient.

Tabelle 1 Flüssige und gasförmige Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge

Reichweite und Energiedichte

In der Zulassungsstatistik des Kraftfahrtbundesamtes (KBA) für das Jahr 2016 liegen die Anteile der benzin- und dieselbetriebenen Pkw bei 52,1 % bzw. 45,9%. Der Anteil der Neuwagen mit alternativen Antriebsarten lag bei 2,0 Prozent, darunter 47.996 Hybride und 11.410 Elektro-Pkw. Erd- und Flüssigerdgasfahrzeuge waren gerade einmal mit einem Anteil von 0,2 Prozent vertreten, was rund 6.000 neuzugelassener Fahrzeuge entspricht.

Der Erfolg der flüssigen Kraftstoffe Benzin und Diesel gegenüber den gasförmigen Kraftstoffen CNG und LNG erklärt sich im Wesentlichen dadurch, dass diese eine hohe Energiedichte besitzen und relativ bequem und sicher im Tank, bei großer Reichweite, transportiert werden können. Denn für die Reichweite eines Kraftfahrzeugs sind neben dem Wirkungsgrad seiner Aggregate u. a. das Volumen des Tanks und die darin gespeicherte Energie entscheidend. Der physikalische Vergleich der Heizwerte (s. Tabelle 2) zeigt diesen Vorteil der flüssigen Kraftstoffe auf.

Die Grafik zeigt die Vorteile der flüssigen Kraftstoffe in der volumetrischen Energiedichte. - Grafik: Shell

Bei Gasen hängt der Energiegehalt natürlich auch stark von Druck und Temperatur ab. Um eine entsprechende Menge an CNG mitführen zu können, sind deshalb ein größerer Druck und großvolumige Druckbehälter nötig. Aus Sicherheitsgründen ist Druck des Erdgases beim Betanken jedoch auf maximal 200 bar begrenzt.

Tabelle 2 Heizwerte einiger Kraftstoffe

Wasserstoff, dass als Wasserstoffantrieb ein Nischendasein führt und eine Karriere in der Brennstoffzelle bekommen soll, hat im Vergleich zu anderen gasförmigen Kraftstoffen eine niedrige volumenbezogene Energiedichte (ca. 1/3 von Erdgas) aber mit 37 kWh/kg einen dreimal so hohen Heizwert wie Superbenzin. Doch um ähnlich viel Energie wie ein Benzintank zu speichern, bräuchte es einen Zeppelin voll Wasserstoff. Deshalb heißt die Lösung bisher Verdichten. Gegenüber Erdgas erfordert es zum Speichern äquivalenter Energiemengen entweder einen dreimal so großen Tank oder eben einen dreimal so hohen Druck. Der Toyota Mirai speichert den Wasserstoff für die Brennstoffzellen mit einem Druck von 700 bar! Dies gilt aktuell als das Nonplusultra und bedeutet knapp 40 kg Wasserstoff auf 1 m3 Volumen. Bezogen auf den Mirai reicht der Wasserstoff in den 122 l großen Wasserstofftanks für rund 500 km.

Alternativ könnte Wasserstoff auch auf -253°C heruntergekühlt werden und dann flüssig mitgeführt werden, was aber wiederum einen großen Aufwand bei der Isolation bedeutet. In der Brennstoffzelle bietet sich deshalb auch der Umweg über das Mitführen von Methanol an und das Reformieren an Bord, was aber auch keine wirkliche Alternative ist.

Der neue Toyota Mirai ist das erste serienmäßige Brennstoffzellenauto und speichert den Wasserstoff mit sehr hohem Druck. - Bild Toyota

Natürlich kann auch nicht jeder Kraftstoff in jedem Motor betrieben werden. Dies hängt nicht nur von dessen Brennwert ab, sondern auch von der Auslegung des Motors und seiner Kraftstoffzufuhr. Aber auch von den jeweiligen chemischen und physikalischen Eigenschaften des „Sprits“ und der ihm beigemischten Additive. Beispielsweise können Ventile und Ventilsitze, die für die Verbrennung von Benzin ausgelegt wurden, bei Betrieb mit Erdgas, dem keine Additive beigemischt sind, schneller verschleißen, weshalb die Autohersteller die Motoren ihrer Erdgasfahrzeuge speziell für Erdgasbetrieb ausgelegten haben. Und natürlich vertragen sich Selbstzünder keinesfalls mit Ottokraftstoff und umgekehrt. An Tankstellen hat man in der Regel eine gute Auswahl hochwertiger Kraftstoffe. Aber was machen eigentlich Fahrzeugführer, die mit mit Bau-, Land- und Forstmaschinen auf Bauststellen, Feldern oder im Wald unterwegs sind? Tankstellen sind hier Mangelware. Auch sie müssen nicht auf gute Kraftstoffe verzichten. Denn hier sind mobile Tankanlagen für die Bentankung vor Ort die Lösung.

Umwelt und Gesundheit

Was bei den verschiedenen Reichweiten und Energiedichten von Kraftstoffen aber nicht übersehen werden darf, ist, dass bei der Verbrennung von Kraftstoffen Abgase freigesetzt werden. Denn Kraftstoffe verbrennen nicht vollkommen rückstandsfrei und verursachen daher Emissionen. Neben den Emissionen, die während des Fahrens entstehen sind noch die Verdampfungsemissionen zu erwähnen, die abhängig von der Umgebungstemperatur sowohl im Stillstand als auch während des Fahrens auftreten.

Die Abgase bewirken Gesundheits- und Umweltschäden wie z.B. sauren Regen und sind mit verantwortlich für den Treibhauseffekt und die globale Erwärmung. Weiterhin sind das im Benzin befindliche Benzol und Ruß erwiesenermaßen karzinogen (krebserregend). Insbesondere CO2, CO, Ruß und Stickoxide (NOx) spielen dabei wichtige Rollen. Die CO2-Emission der Pkw ging laut KBA 2016 weiter zurück, im Durchschnitt auf 127,4 g/km (Vorjahr 128,8 g/km), was jedoch keine Entwarnung bedeutet.

Art und Umfang der freigesetzten Schadstoffe hängen natürlich im Wesentlichen auch von der Art und Zusammensetzung des Kraftstoffes ab. Einen niedrigeren CO2 Ausstoß weisen auf jeden Fall Gasfahrzeuge auf. So emittieren Autogasfahrzeuge gerade einmal 20% und CNG-Autos 25% dessen, was Benziner an CO2 ausstoßen. Bei der kalten Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle treten sogar gar keine Abgase auf. Deshalb treten neben der Weiterentwicklung und der Qualitätssicherung von konventionellen Kraftstoffen immer stärker auch alternative Kraftstoffe wie Erdgas, Biodiesel, Methanol und Wasserstoff in den Fokus der öffentlichen Diskussion.

Weitere Teile zum Kraftstoff demnächst:   Teil 2 Ottokraftstoffe | Teil 3 Dieselkraftstoffe | Teil 4 Alternative Kraftstoffe |

Lesen Sie auch: Kraftstoffe im Automobil |

Quellen für Texte (auch der Folgen 2-4):

Aral, Shell, wikipedia, Kraftfahrtbundesamt (KBA), Umweltbundesamt (UBA), Deutscher Wetterdienst (DWD), Toyota, kfztech.de, gibgas.de, desy.de, Audi, Opel, BMW, Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft e.V., h2-mobility.de, heise.de, Bosch,

Dieser Artikel erschien bereits 2017 im AMS Technik Profi. Mehr zum Technikprofi und zum Abo  Der Technikprofi