HYDROGEIT - Der Wasserstoff-Guide

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Liquefied Petroleum Gas
Flüssiggas wird international als Liquefied Petroleum Gas (LPG) bezeichnet. Im deutschsprachigen Raum werden anstelle von Flüssiggas auch häufig die Begriffe "Treibgas" und "Autogas" benutzt. LPG besteht aus leicht verflüssigbaren Kohlenwasserstoff-Verbindungen (CnHm) mit drei oder vier Kohlenstoff-Atomen (C). Es kann sich dabei um eine einzelne Verbindung oder um eine Mischung mehrerer Verbindungen handeln.

Die Hauptbestandteile von Flüssiggas sind:
Propan: C3H8
Propen: C3H6 (auch Propylen genannt, mit C-Doppelbindung)
Butan: C4H10
Buten: C4H8 (auch Butylen genannt, mit C-Doppelbindung)

Propan und Butan sind kettenförmige, gesättigte Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Die ungesättigten Kohlenwasserstoffe Propen und Buten weisen eine Kohlenstoff-Doppelbindung auf und sind hinsichtlich ihres Anteils in den Spezifikationen für Flüssiggas begrenzt.
Das Mischungsverhältnis von Propan und Butan ist in Europa unterschiedlich. In Deutschland und Großbritannien hat Propan meist einen Anteil von 95 Vol.-%). In Frankreich wird hingegen eine 45:55-Mischung (Propan : Butan) bevorzugt. In sehr warmen Landesteilen überwiegt der Butan-Anteil. Die Gaslieferanten variieren die Zusammensetzung nach der Umgebungstemperatur. Das Gemisch kann sich demnach je nach Ort und Jahreszeit unterscheiden.
Flüssiggas ist im Normalzustand ein gasförmiges Brenngas, daß unter Druck verflüssigt werden kann. Die Abhängigkeit von Druck und Temperatur wird in der Dampfdruckkurve dargestellt. Flüssiggas hat in Deutschland bei T = 20 °C einen Druck von p = 8 bar. Es besitzt flüssig nur 1/260stel des gasförmigen Volumens. Das bedeutet, daß aus 1.000 Litern Gas etwa 4 Liter Flüssiggas werden.
Im Gegensatz zu Erdgas oder Wasserstoff, die leichter als Luft sind, weist Flüssiggas einen Dichtequotienten zu Luft von LPG/Luft=1,55 auf. Dies bedeutet, daß Flüssiggas "herunterfällt". Es sammelt sich am Boden und bedarf geeigneter baulicher oder lüftungstechnischer Maßnahmen, damit sich keine erhöhten Flüssiggasmengen ansammeln.
Die reinen Gase sind geruchlos. Als Abfallprodukt der Industrie ist Flüssiggas geruchbelastet. Gegebenenfalls wird es zur besseren Wahrnehmung mit einer speziellen Substanz versetzt (odoriert), damit eine Leckage wahrgenommen werden kann.
Die Molekülstruktur von Propan und Butan ist im Vergleich zu den verzweigten Ketten herkömmlicher Kraftstoffe (Benzin oder Diesel) relativ einfach (s. Abb. 3).

Abb. 3: Molekulares Flüssiggas [Flüssiggas b, 1999]

LPG-Bestandteil Propan
· farb- und geruchlos
· ungiftig; wirkt in hohen Dosen leicht narkotisierend
· flüssiges Propan kann wegen der hohen Verdampfungskälte auf der Haut Erfrierungen hervorrufen.

Tab. 2: Kennwerte von Propan
chemische Summenformel C3H8
Strukturformel CH3-CH2-CH3
Kohlenstoff-Gehalt 81,72Gew.-%
Wasserstoffgehalt 18,28Gew.-%
Molekular-Gewicht 44,09g/mol
Molvolumen 21,94cm3/mol
MAK-Wert 1800mg/m3
kritische Temperatur 96,8°C
kritischer Druck 42,6bar
Dichte der Flüssigkeit bei 15°C 530g/l
Dichte des Gases bei 0°C, 1 bar 2,01kg/Nm3

LPG-Bestandteil Butan
Butan (lateinisch: butyrum = Butter) kommt zusammen mit iso-Butan, Butadien und den Butenen als sogenannte C4-Fraktion in Erdöl-Krackgasen und im Erdgas vor.

· farb- und geruchlos
· in Wasser wenig löslich, in Alkohol und Äther leicht löslich
· wirkt in größeren Dosen narkotisierend

Tab. 3: Kennwerte von Butan
chemische Summenformel C4H10
Strukturformel CH3-CH2-CH2-CH3
Kohlenstoff-Gehalt 82,66Gew.-%
Wasserstoffgehalt 17,34Gew.-%
Molekular-Gewicht 58,12g/mol
Molvolumen 21,50cm3/mol
MAK-Wert 2350mg/m3
kritische Temperatur 152,1°C
kritischer Druck 38,1bar

Brenneigenschaften
Bei der Kraftstoffzufuhr in Verbrennungsmotoren weisen Gase gegenüber Flüssigkeiten gewisse Nachteile auf. Flüssiggas ist zwar im Tank in flüssiger Form gespeichert, wird jedoch auf dem Weg zum Motor in einem Verdampfer in den gasförmigen Aggregatzustand überführt und dementsprechend gasförmig ins Saugrohr eingeblasen. Herkömmliche Kraftstoffe (Benzin, Diesel) werden in der Regel über Vergaser oder Düsen als kleinste Flüssigkeitströpfchen der Brennkammer zugeführt. Da die Dichte von Flüssigkeiten sehr viel größer ist als die von Gasen, nimmt gasförmiger Kraftstoff mehr Raum im Saugrohr ein. Das Gas verdrängt dadurch einen Teil der Ansaugluft. Weniger Luft im Verhältnis zur Kraftstoffmenge bedeutet, daß das Gemisch dadurch fetter wird. Soll das Luftverhältnis jedoch beibehalten werden, muß dementsprechend die Kraftstoffzufuhr gesenkt werden. Dies hat insgesamt eine verminderte Zylinderfüllung im Vergleich zum Benzinbetrieb zur Folge. Die Luftzufuhr kann nicht beliebig erhöht werden, da es aufgrund des vorhandenen Querschnittes und des damit verbundenen Strömungswiderstandes Grenzen gibt.

Von Vorteil bei der Verbrennung von Flüssiggas ist sein gasförmiger Zustand im Brennraum. Dadurch wird eine homogenere Gemischbildung mit der Luft erreicht, wodurch eine gleichmäßigere Verbrennung ermöglicht wird. Hinzu kommt, daß die niedrigere Brenngeschwindigkeit von LPG einen geringeren Wandwärmeverlust im Flüssiggas-Motor bewirkt, wodurch der Wirkungsgrad leicht angehoben wird. Dies ist bei Benzin- oder Dieseldampf/Luft-Gemischen nicht in gleicher Weise gegeben. Bei der energetischen Betrachtung von Kraftstoffen spielt der Heizwert Hu eine besondere Rolle. Der Heizwert ist der Teil der Wärme, der bei der Verbrennung ohne die im Wasserdampf enthaltene Wärmemenge frei wird. Der Brennwert Ho eines Gases (veraltet: "oberer Heizwert") bezieht sich auf die gesamte Wärme, die bei einer vollständigen Verbrennung eines Kubikmeters Gas frei wird. Die Werte basieren auf dem Normzustand (T0 = 273,15 K; p0 = 1013,25 mbar). Im Vergleich zu anderen Energieträgern besitzt Flüssiggas einen hohen gewichtspezifischen Heizwert (s. Tab. 4).

Tab. 4: gewichtsspezifischer Heizwert
Propan = 12,9kWh/kg
Butan = 12,7kWh/kg
Erdgas = 13,6kWh/kg
leichtes Heizöl = 10,0kWh/kg
[Flüssiggas a, 1999]

Bezieht man den Heizwert auf das Volumen, haben Propan und Butan deutliche Defizite gegenüber Diesel- oder Benzinkraftstoffen. Die Dichte sowie der volumenspezifische Heizwert von Flüssiggas erreichen knapp drei Viertel von vergleichbarem Kraftstoff für Otto-Motoren (Benzin).

Tab. 5: Kennwerte von Kraftstoffen

Dichte [kg/l]

HU Heizwert[kJ/l] Vstöch Luftbedarf [kgLuft/kgKr]

Propan

0,53

23.600 15,6

Butan

0,58

26.500 15,4

Diesel

0,83

35.400 14,5

Superbenzin

0,76

32.800 14,7
[Schödl, 1998]

Damit es zu einer Verbrennung von Flüssiggas kommen kann, muß sich der Kraftstoff mit Sauerstoff bzw. der Umgebungsluft vermischen. Ein zündfähiges Gemisch liegt nur dann vor, wenn sich das Verhältnis von Kraftstoff und Luft innerhalb bestimmter Grenzen, den sogenannten Zündgrenzen, befindet.

Tab. 6: Zündgrenzen in Vol.-%
Propan = 1,7 - 10,9
Butan = 1,4 - 8,5
Erdgas = 6 - 16
Benzin = 1,5 - 7,5
Wasserstoff = 4 - 75

Flüssiggas weist von den gasförmigen Kraftstoffen einen etwa ebenso engen und niedrigen Zündbereich wie Benzin auf. Zu einer Entzündung kann es kommen, wenn gleichzeitig zum richtigen Mischungsverhältnis die nötige Zündenergie zugeführt wird. Es muß eine offene Flamme, ein Zündfunke oder etwas Vergleichbares vorhanden sein.
Am günstigsten verläuft die Reaktion etwas oberhalb der Stelle des stöchiometrischen Gemisches. Das ist der Bereich der Gemischzusammensetzung, bei dem für jedes Kraftstoffmolekül die erforderliche Anzahl von Sauerstoffmolekülen zur Verfügung steht (Lambda = 1). Wenn ein hoher Luftüberschuß (Lambda > 1) vorliegt, kommt es zu einer verlangsamten Umsetzung (Verpuffung) des Gas- oder Dampf/Luft-Gemisches. Bei einem Kraftstoffüberschuß kommt es zur unvollständigen Verbrennung. Unverbranntes Flüssiggas kann sich dann an heißen Teilen vom Auspuff entzünden, so daß es zu sogenannten "Fehlzündungen" kommen kann. Im Extremfall kann das Kraftstoff/Luft-Gemisch unverbrannt aus dem Auspuff austreten und sich am Boden sammeln. Springt der Motor beim Start innerhalb von Gebäuden nicht sofort an, sollte auf gute Lüftung geachtet und nicht zu lange gestartet werden. Bei Gasgeruch sollte der Startvorgang wegen der erhöhten Brandgefahr im Umfeld abgebrochen werden. Bei einer unvollständigen Verbrennung könnten außerdem erhöhte Mengen Kohlenstoffmonoxid ausgestoßen werden, wodurch es beim Einatmen zu Vergiftungserscheinungen kommen kann.

⇒⇒⇒ weiter zu Vergleich



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

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