HYDROGEIT - Der Wasserstoff-Guide

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Vergleich mit anderen Kraftstoffen
Limitierte Emissionen
Bei den sogenannten limitierten Emissionen handelt es sich um Schadstoff-Emissionen, deren Ausstoß z. B. bei Fahrzeug-Antrieben vom Gesetzgeber eingegrenzt wird. Da Flüssiggas häufig als schadstoffarmer Kraftstoff bezeichnet wird, erscheint ein Vergleich dieser Werte mit anderen Kraftstoffen überaus interessant.

Abb. 4: Schadstoff-Emissionen [Bundesministerium für Wirtschaft, 1998]
*: Land-, Forst und Bauwirtschaft, Militär-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr

Betrachtet man den Schadstoffausstoß von limitierten Emissionen in den verschiedenen Wirtschaftsbereiche, wird die Bedeutung des Verkehrssektors deutlich (s. Abb. 4). Im gesamten Verkehrsbereich werden über 60 % aller auftretenden NOx-Emissionen, über 55 % aller CO-Emissionen und etwa 20 % aller CO2-Emissionen abgegeben. Unterschiedlichen Angaben zufolge benötigt momentan der gesamte Verkehrsbereich 50-60 % der Welt-Erdölproduktion. In den nächsten Jahren wird der Anteil voraussichtlich weiter ansteigen, da die Mobilität auf der ganzen Welt stetig zunimmt. Die Abschätzung des Umweltbundesamtes geht, trotz des Anstieges der Fahrleistung, von einer Reduzierung der Schadstoffe im Verkehrssektor aus (s. Abb. 5). Zugrunde gelegt wird hierbei die Verminderung des Kraftstoffverbrauches bei neuen Fahrzeugen sowie der vermehrte Einsatz von alternativen Kraftstoffen. [UBA a, 1999]

Abb. 5: Entwicklungen im Straßenverkehr [UBA a, 1999]

Vergleicht man unterschiedliche Kraftstoffe hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, läßt sich eine gewisse Reihenfolge in bezug auf ihre Kohlenstoff-Anteile erkennen. Die herkömmlichen Kraftstoffe wie Benzin und Diesel weisen am meisten Gewichtsprozent Kohlenstoff auf (s. Abb. 6).

Abb. 6: Kohlenstoff-Anteil unterschiedlicher Kraftstoffe [Sykes, 1999]

Die Reihe der Kraftstoffe könnte nach links weiter fortgesetzt werden, indem auf Kohlenstoff gänzlich verzichtet würde und nur noch H2 (= Wasserstoff) vorhanden wäre. Weniger Kohlenstoff ist in bezug auf den Schadstoffausstoß vorteilhaft, weil weniger Kohlenwasserstoff (HC), weniger Kohlenstoffmonoxid (CO), weniger Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie weniger von allen anderen CmHn-Verbindungen emittiert wird.
Beim Vergleich des Schadstoff-Ausstoßes verschiedener Energieträger schneiden Flüssig- und Erdgas relativ gut ab, weil sie unter anderem weniger CO2 ausstoßen (s. Abb. 7). Die geringeren CO2-Emissionen im Vergleich zu anderen Kraftstoffen erklären sich unter anderem durch die einfache Molekülstruktur von Flüssig- und Erdgas.

Abb. 7: CO2-Ausstoß [Flade, F., 1998]

Busse und Nutzfahrzeuge, die über einen optimierten Flüssiggas-Motor verfügen, können zum Teil bereits heute die in der Europäischen Union für 2005 angestrebten Schadstoffgrenzwerte EURO 4 unterschreiten.

Tab. 7: EU-Grenzwert EURO 4
CO-Anteil = 1,5g/kWh
HC-Anteil = 0,46g/kWh
NOX-Anteil = 3,5g/kWh
Partikel-Anteil = 0,05g/kWh
[DVFG/RG, 1999]

Bei einer direkten Gegenüberstellung unterschiedlicher, alternativer Antriebskonzepte, weist Flüssiggas eine positive Umweltbilanz auf (s. Tab. 8). Als Bezugsgröße wurde bei dieser Studie ein benzinbetriebener Otto-Motor mit Katalysator gewählt.

Tab. 8: Vergleich verschiedener Energieträger

Benzin mit Kat.

LPG mit Kat. Diesel

Biodiesel

Pflanzenöl CNG mit Kat. H2 Batterie

Eignung

0

0 0

0

0 0 0 -

Kosten

0

0 +

-

- - --- ---

CO

0

+++ +

+

+ +++ +++ +

HC

0

+++ +

+

+ ++ +++ +

NOX

0

++ -

-

- +++ ++ +

CO2

0

++ +

++

++ ++ +++ -

Partikel

0

+++ -

-

--- +++ +++ +++
viel besser als Durchschnitt: +++
besser als Durchschnitt: ++
etwas besser als Durchschnitt +
Durchschnitt: 0
etwas schlechter als Durchschnitt -
Schlechter als Durchschnitt: --
viel schlechter als Durchschnitt: ---
[DVFG/RG, 1999]


Umweltvorteile von LPG gegenüber Benzin bei den limitierten Schadstoff-Emissionen:
+ Verminderung von CO2 um bis zu 15 %,
+ Verminderung von HC um bis zu 60 %,
+ Verminderung von CO um bis zu 80 %,
+ Verminderung von NOX um bis zu 80%,
+ Partikel werden nicht ausgestoßen bei LPG.
[DVFG, 2000], [http://www.autogaslpg.com, 2000]


Nichtlimitierte Emissionen
Neben den limitierten Schadstoffen (CO, HC, NOX, Partikel) gibt es sogenannte nichtlimitierte Schadstoffe (z. B. SOX, NO2, Benzol, Formaldehyd usw., s. Tab. 9), die bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen.

Tab. 9: Umwelteinflüsse von Benzin, Diesel, Erdgas und Flüssiggas

I. Direktes Gefährdungspotential

Benzin

Flüssiggas Erdgas

Diesel

CO

0

0/+ ++

+

NO2

0

0 +

--

Partikel

0/+

+ 0

--/-

niederwertzige Aldehyde*

0

0 +/++

--/-

gesamt

0

0/+ +

-


II. Langzeitgefährdung

Benzin

Flüssiggas Erdgas

Diesel

PAH (polynukleare, aromatische HC)

0

+ +

-

BTX (Benzol, Toluol, Xylol)

-

0 0

0

niederwertzige Aldehyde*

0

0 +

-

gesamt

0

0/+ +

-/0


III. Regionale und globale Effekte

Benzin

Flüssiggas Erdgas

Diesel

Sommer-Smog

-

0 +

--

Winter-Smog

0

0/+ 0

-

Saurer Regen

0

0/+ 0/+

-/0

Treibhaus-Effekt

-/0

0 0/+

-/0

gesamt

-/0

0/+ 0/+

-

viel besser als Durchschnitt: ++
besser als Durchschnitt: +
Durchschnitt: 0
Schlechter als Durchschnitt: -
viel schlechter als Durchschnitt: --
*: Formaldehyde, Acetaldehyde, Acrolein

[Hollemans, B., 1999]

Erdgas als Kraftstoff schneidet bei diesem Vergleich am besten ab. Flüssiggas ist geringfügig besser als der Durchschnitt. Benzin ist geringfügig schlechter und Diesel schlechter als der Durchschnitt. Die Abgase von Diesel-Motoren weisen im Vergleich zu den Otto-Motoren (LPG-, CNG- und Benzin-Betrieb) ein hohes kanzerogenes (krebserzeugendes) Wirkpotential auf. Die krebserzeugende Wirkung der Dieselabgase ist auf die ausgestoßenen Partikel und die zum Teil daran haftenden Substanzen (z. B. Aldehyde, PAH) zurückzuführen. Durch die Einführung von Partikelfiltern für Dieselfahrzeuge läßt sich die Partikelemission (pro gefahrenem Kilometer) und damit die kanzerogene Wirkung auf ein mit Otto-Motoren vergleichbar niedriges Niveau senken. Bis heute ist in diesem Zusammenhang jedoch ungeklärt, in wie weit die Größe der Rußpartikel Einfluß auf die Kanzerogenität hat. Moderne Dieselfahrzeuge stoßen zwar weniger große Partikel aus, kleine Partikel sind jedoch leichter lungengängig, können tiefer in die Lunge eindringen und sich dort festsetzen.
Bei Benzinmotoren gibt es neben Benzol die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAH) mit krebserzeugendem Wirkungspotential. Durch den Einsatz von Katalysatoren werden diese Schadstoffe um bis zu 90 % reduziert. [Mangelsdorf, I., 1999]

Erhöhte Schwefeldioxid- (s. Abb. 8) und auch Staubkonzentrationen können z. B. bei winterlichen Inversionswetterlagen zum sogenannten Wintersmog führen. Der Schwefeldioxid-Anteil fällt bei Flüssiggas so gering aus, weil sich aufgrund des hohen Reinheitsgrades dieses Gases kaum Fremdstoffe im Kraftstoff befinden.

Abb. 8: SO2-Ausstoß [Flade, F., 1998]

Umweltvorteile von LPG bei nichtlimitierten Emissionen sind:
+ die Verminderung der Abgaskomponenten, die für Smog verantwortlich sind, um bis zu 80 % im Vergleich zum Benzinmotor, [DVFG, 2000]
+ die Verminderung des Ausstoßes von Substanzen, die für den Treibhauseffekt relevant sind, um bis zu 20 % im Vergleich zum Benzinmotor,
+ die Verminderung der toxischen und gesundheitsschädlichen Emissionen, wie z. B. von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, Aldehyden, Benzolen, Toluolen etc..

Kaltstart
Eine besonders kritische Phase beim Betrieb von Verbrennungskraftmotoren in bezug auf den Schadstoffausstoß ist der Start und die Warmlaufphase. Da mehr als die Hälfte aller Autofahrten kürzer als 7 km sind, in dieser Zeit jedoch ein Großteil der Emissionen ausgestoßen werden, gilt dieser Phase eine besondere Beachtung.
In kaltem Zustand ist das Motoröl noch dickflüssig und kann nicht in vollem Maße seine Schmierfunktion wahrnehmen. Ein Teil der Verbrennungswärme wird für die Erwärmung des Motors abgeleitet, so daß für die eigentliche Leistungsausbeute anfangs weniger Energie zur Verfügung steht als bei Betriebstemperatur. Im Wandbereich wird durch den Zylinder und das Kühlmittel Wärme abgeleitet, wodurch die benötigte Verbrennungstemperatur nicht erreicht wird und relativ viel Kohlenwasserstoffe freigesetzt werden. Diesem Phänomen wird zum Teil entgegengearbeitet, indem das Luftverhältnis verringert wird. Man spricht davon, daß der Motor im fetten Bereich startet.
Da in diesem Fall mehr Kraftstoff vorhanden ist, als für ein stöchiometrisches Verbrennungsverhältnis notwendig ist, wird ein Teil des Kraftstoffes unverbrannt oder nur zum Teil verbrannt wieder ausgestoßen. Erhöhte Schadstoff-Werte kommen außerdem dadurch zustande, daß der Katalysator noch nicht auf Betriebstemperatur ist und deswegen seine Funktion der Schadstoff-Reduzierung nicht erfüllen kann.
Ein Vorteil von LPG-Motoren gegenüber Benzin-Motoren ist, daß der Kraftstoff bereits gasförmig vorliegt und deswegen eine bessere Durchmischung mit Luft möglich ist. Bei flüssigen Kraftstoffen wie Benzin liegt die Verdampfungsrate bei geringen Temperaturen so niedrig, daß nur eine relativ geringe Menge an Benzindämpfen vorhanden ist. Da Gase und Gasgemische leichter entzündbar sind als beispielsweise Benzintröpfchen, treten bei Flüssiggas keine oder nur geringe Probleme auf. Eine Anfettung wie im Benzinbetrieb mit fast sechsfacher normalen Kraftstoffmenge ist deswegen nicht notwendig. Das Flüssiggas/Luft-Verhältnis ist beim LPG-Motor nahezu immer identisch und im Vergleich zum Benzin-Motor relativ unabhängig von der Umgebungstemperatur.
Bereits vorliegende Untersuchungen zum Thema Kaltstart zeigen, daß ein Otto-Motor mit Benzin als Kraftstoff erheblich mehr Schadstoffe bei geringen Temperaturen ausstößt als mit Flüssiggas. Im Zuge eines modifizierten europäischen Testzyklusses wurden die Schadstoff-Emissionen bei Benzin- und Flüssiggas-Betrieb in einem Temperaturbereich von -7 bis +22 °C gemessen. Der modifizierte Testzyklus unterscheidet sich vom Standardtest dadurch, daß in ihm keine Leerlauf- bzw. Warmlaufphase von 40 Sekunden zwischen Start und Testbeginn liegt. Die CO-Emissionen im Benzin-Betrieb steigen stark und die HC- und NOX-Emissionen steigen etwas an, sobald die Umgebungstemperatur unter T = 10 °C absinkt. Deutliche Veränderungen in Abhängigkeit von der Temperatur sind im LPG-Betrieb hingegen nicht zu verzeichnen. [Hollemans, B., 1999]

Betankung
Zu den Emissionen von Fahrzeugen zählen auch die Dämpfe, die während des Betankungsvor-ganges in die Umgebung entweichen. In diesem Punkt gibt es grundlegende Unterschiede zwischen der Benzin- oder Diesel- und Flüssiggas-Betankung. Benzin- oder Dieseldämpfe entweichen aus dem Tank, sobald der Verschluß geöffnet wird. Hinzu kommen die Dämpfe, die während der Betankung austreten sowie verschüttete Anteile durch Überfüllung oder Überschäumen während des Betankungsvorganges. In den letzten Jahren wurden an vielen Tankstellen sogenannte "abgeschlossene Betankungssysteme" eingeführt. Die Zapfpistolen wurden mit Absaugvorrichtungen ausgerüstet, die austretende Dämpfe wieder dem Tanksystem zuführen sollten. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um wirklich abgeschlossene Systeme, weil keine feste Verbindung zwischen Zapfpistole und Fahrzeug vorhanden ist.
Bei Flüssiggas-Tankstellen ist eine gasdichte Verbindung vorhanden, so daß kein Gas entweichen kann. Die bei Benzin- und Diesel-Tankstellen notwendige Bodenversiegelung ist bei LPG-Tankstellen überflüssig.
Für Flurförderzeuge gibt es größtenteils sogenannte Wechselflaschen, die im Bedarfsfall komplett ausgewechselt und zentral von Gasversorgungs-Unternehmen aufgefüllt werden.

Vor- und Nachteile
pro

  • Flüssiggas gilt als schadstoffarmer Kraftstoff. Es hat einen sehr geringen Schwefelgehalt, einen hohen Reinheitsgrad und verbrennt praktisch rückstandsfrei (kein Ruß).
  • LPG eignet sich gut für Flurförderzeuge in geschlossenen Werkhallen.
  • LPG-Fahrzeuge sind gut geeignet für Flottenbetreiber in Ballungsräumen, weil viele Fahrzeuge von einer Tankstelle aus betankt werden können.
  • Flüssiggas hat mit einer Tankfüllung eine relativ große Reichweite im Vergleich zu anderen alternativen Kraftstoffen (Pkw: ca. 600 km).
  • Die konstruktive Gestaltung der Tankgeometrie ist weitgehend freigestellt.
  • LPG ist nicht mit Wasser löslich und kann so das Grundwasser nicht gefährden.
  • Beim Betanken können keine Verschmutzungen des Untergrundes auftreten.
  • LPG kann bei geringerem Druck (max. 30 bar) als Erdgas (200 bar) oder Wasserstoff (200 bar oder tiefkalt bei T = - 253 °C) gespeichert werden.
  • Die Verbrennung ist "weicher" (leiser) und gleichmäßiger als bei konventionellen Kraftstoffen.
  • Es tritt nur eine geringe Belastung des Motoröls auf (kein Ruß, keine Kraftstoffverdünnung, keine Dampfblasenbildung), die eine Viskositätsverminderung bewirken könnte.
  • Die Motoren weisen eine relativ lange Lebensdauer auf.
  • LPG benötigt keine Additive, da wegen der höheren Oktanzahlen im Vergleich zu Benzin und der rückstandsfreien Verbrennung chemische Zusätze überflüssig sind.
  • Die Klopffestigkeit ist relativ hoch, wodurch eine höhere Verdichtung als im Benzin-Betrieb möglich ist.
  • Die Fahrzeug-Umrüstung ist problemlos möglich und billiger als bei Erdgas-Fahrzeugen.
  • Der Energiebedarf und die Kosten für Tankstellen sind geringer als bei Erdgas (kein großer Kompressor).
  • Im Vergleich zu Benzin und Diesel ist Flüssiggas deutlich billiger.
  • Flüssiggas ist unabhängig von einem Pipeline-Netz.

contra

  • Bivalente Fahrzeuge sind für Benzin-Betrieb optimiert und weisen Leistungseinbußen im Flüssiggas-Betrieb auf.
  • Die Umrüstung (bivalenter Betrieb) ist mit einer Verringerung der Ladekapazität verbunden, weil ein zusätzlicher Tank eingebaut wird.
  • Monovalenter Betrieb ist aufgrund der wenigen Tankstellen kaum möglich.
  • Die Umrüstkosten amortisieren sich nach etwa 30.000 Kilometern.
  • Umrüstung und Reparatur können nur von speziell ausgebildeten Mechanikern durchgeführt werden.
  • Es werden nicht sämtliche Modelle aller Automobilhersteller umgerüstet.
  • Flüssiggas ist schwerer als Luft und sammelt sich am Boden. Es verflüchtigt sich nicht so schnell wie vergleichsweise Erdgas oder Wasserstoff.

⇒⇒⇒ weiter zu: Systeme



Bei der hier veröffentlichten Arbeit handelt es sich um die Zusammenfassung einer Studie über Flüssiggas-Technologie aus dem Jahr 2000. Weiterführende und aktuellere Informationen gibt es beim Hydrogeit Verlag.

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