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 Aussto� z. B. bei Fahrzeug-Antrieben vom Gesetzgeber eingegrenzt wird. Da Flüssiggas h�ufig als schadstoffarmer Kraftstoff bezeichnet wird, erscheint ein Vergleich dieser Werte mit anderen Kraftstoffen überaus interessant.

Abb. 4: Schadstoff-Emissionen [Bundesministerium füt Wirtschaft, 1998]
*: Land-, Forst und Bauwirtschaft, Milit�r-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr

Betrachtet man den Schadstoffaussto� 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 ben�tigt momentan der gesamte Verkehrsbereich 50-60 % der Welt-Erd�lproduktion. In den n�chsten Jahren wird der Anteil voraussichtlich weiter ansteigen, da die Mobilit�t auf der ganzen Welt stetig zunimmt. Die Absch�tzung 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 Stra�enverkehr [UBA a, 1999]

Vergleicht man unterschiedliche Kraftstoffe hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, l��t sich eine gewisse Reihenfolge in bezug auf ihre Kohlenstoff-Anteile erkennen. Die herk�mmlichen 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 k�nnte nach links weiter fortgesetzt werden, indem auf Kohlenstoff g�nzlich verzichtet w�rde und nur noch H2 (= Wasserstoff) vorhanden w�re. Weniger Kohlenstoff ist in bezug auf den Schadstoffaussto� vorteilhaft, weil weniger Kohlenwasserstoff (HC), weniger Kohlenstoffmonoxid (CO), weniger Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie weniger von allen anderen CmHn-Verbindungen emittiert wird.
Beim Vergleich des Schadstoff-Aussto�es verschiedener Energieträger schneiden Fl�ssig- und Erdgas relativ gut ab, weil sie unter anderem weniger CO2 aussto�en (s. Abb. 7). Die geringeren CO2-Emissionen im Vergleich zu anderen Kraftstoffen erkl�ren sich unter anderem durch die einfache Molek�lstruktur von Fl�ssig- und Erdgas.

Abb. 7: CO2-Aussto� [Flade, F., 1998]

Busse und Nutzfahrzeuge, die über einen optimierten Flüssiggas-Motor verf�gen, können zum Teil bereits heute die in der Europ�ischen Union füt 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 Bezugsgr��e wurde bei dieser Studie ein benzinbetriebener Otto-Motor mit Katalysator gew�hlt.

Tab. 8: Vergleich verschiedener Energieträger

Benzin mit Kat.

LPG mit Kat. Diesel

Biodiesel

Pflanzen�l 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 ausgesto�en 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: Umwelteinfl�sse von Benzin, Diesel, Erdgas und Flüssiggas

I. Direktes Gef�hrdungspotential

Benzin

Flüssiggas Erdgas

Diesel

CO

0

0/+ ++

+

NO2

0

0 +

--

Partikel

0/+

+ 0

--/-

niederwertzige Aldehyde*

0

0 +/++

--/-

gesamt

0

0/+ +

-


II. Langzeitgef�hrdung

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 geringf�gig besser als der Durchschnitt. Benzin ist geringf�gig 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 ausgesto�enen Partikel und die zum Teil daran haftenden Substanzen (z. B. Aldehyde, PAH) zur�ckzuf�hren. Durch die Einf�hrung von Partikelfiltern füt Dieselfahrzeuge l��t 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 ungekl�rt, in wie weit die Gr��e der Ru�partikel Einflu� auf die Kanzerogenit�t hat. Moderne Dieselfahrzeuge sto�en zwar weniger gro�e Partikel aus, kleine Partikel sind jedoch leichter lungeng�ngig, 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]

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

Abb. 8: SO2-Aussto� [Flade, F., 1998]

Umweltvorteile von LPG bei nichtlimitierten Emissionen sind:
+ die Verminderung der Abgaskomponenten, die füt Smog verantwortlich sind, um bis zu 80 % im Vergleich zum Benzinmotor, [DVFG, 2000]
+ die Verminderung des Aussto�es von Substanzen, die füt den Treibhauseffekt relevant sind, um bis zu 20 % im Vergleich zum Benzinmotor,
+ die Verminderung der toxischen und gesundheitssch�dlichen 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 Schadstoffaussto� ist der Start und die Warmlaufphase. Da mehr als die H�lfte aller Autofahrten k�rzer als 7 km sind, in dieser Zeit jedoch ein Gro�teil der Emissionen ausgesto�en werden, gilt dieser Phase eine besondere Beachtung.
In kaltem Zustand ist das Motor�l noch dickfl�ssig und kann nicht in vollem Ma�e seine Schmierfunktion wahrnehmen. Ein Teil der Verbrennungsw�rme wird füt die Erw�rmung des Motors abgeleitet, so da� füt die eigentliche Leistungsausbeute anfangs weniger Energie zur Verf�gung steht als bei Betriebstemperatur. Im Wandbereich wird durch den Zylinder und das K�hlmittel W�rme abgeleitet, wodurch die ben�tigte Verbrennungstemperatur nicht erreicht wird und relativ viel Kohlenwasserstoffe freigesetzt werden. Diesem Ph�nomen wird zum Teil entgegengearbeitet, indem das Luftverh�ltnis verringert wird. Man spricht davon, da� der Motor im fetten Bereich startet.
Da in diesem Fall mehr Kraftstoff vorhanden ist, als füt ein st�chiometrisches Verbrennungsverh�ltnis notwendig ist, wird ein Teil des Kraftstoffes unverbrannt oder nur zum Teil verbrannt wieder ausgesto�en. Erh�hte Schadstoff-Werte kommen au�erdem dadurch zustande, da� der Katalysator noch nicht auf Betriebstemperatur ist und deswegen seine Funktion der Schadstoff-Reduzierung nicht erf�llen kann.
Ein Vorteil von LPG-Motoren gegenüber Benzin-Motoren ist, da� der Kraftstoff bereits gasfütmig vorliegt und deswegen eine bessere Durchmischung mit Luft m�glich ist. Bei fl�ssigen Kraftstoffen wie Benzin liegt die Verdampfungsrate bei geringen Temperaturen so niedrig, da� nur eine relativ geringe Menge an Benzind�mpfen vorhanden ist. Da Gase und Gasgemische leichter entz�ndbar sind als beispielsweise Benzintr�pfchen, 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-Verh�ltnis 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, da� ein Otto-Motor mit Benzin als Kraftstoff erheblich mehr Schadstoffe bei geringen Temperaturen ausst��t als mit Flüssiggas. Im Zuge eines modifizierten europ�ischen 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, da� 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 Ver�nderungen in Abh�ngigkeit von der Temperatur sind im LPG-Betrieb hingegen nicht zu verzeichnen. [Hollemans, B., 1999]

Betankung
Zu den Emissionen von Fahrzeugen z�hlen auch die D�mpfe, 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 Dieseld�mpfe entweichen aus dem Tank, sobald der Verschlu� ge�ffnet wird. Hinzu kommen die D�mpfe, die während der Betankung austreten sowie versch�ttete Anteile durch überf�llung oder übersch�umen während des Betankungsvorganges. In den letzten Jahren wurden an vielen Tankstellen sogenannte "abgeschlossene Betankungssysteme" eingef�hrt. Die Zapfpistolen wurden mit Absaugvorrichtungen ausger�stet, die austretende D�mpfe wieder dem Tanksystem zuf�hren 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 da� kein Gas entweichen kann. Die bei Benzin- und Diesel-Tankstellen notwendige Bodenversiegelung ist bei LPG-Tankstellen überfl�ssig.
füt Flurfütderzeuge gibt es gr��tenteils sogenannte Wechselflaschen, die im Bedarfsfall komplett ausgewechselt und zentral von Gasversorgungs-Unternehmen aufgef�llt werden.

Vor- und Nachteile
pro

  • Flüssiggas gilt als schadstoffarmer Kraftstoff. Es hat einen sehr geringen Schwefelgehalt, einen hohen Reinheitsgrad und verbrennt praktisch r�ckstandsfrei (kein Ru�).
  • LPG eignet sich gut füt Flurfütderzeuge in geschlossenen Werkhallen.
  • LPG-Fahrzeuge sind gut geeignet füt Flottenbetreiber in Ballungsr�umen, weil viele Fahrzeuge von einer Tankstelle aus betankt werden können.
  • Flüssiggas hat mit einer Tankf�llung eine relativ gro�e Reichweite im Vergleich zu anderen alternativen Kraftstoffen (Pkw: ca. 600 km).
  • Die konstruktive Gestaltung der Tankgeometrie ist weitgehend freigestellt.
  • LPG ist nicht mit Wasser l�slich und kann so das Grundwasser nicht gef�hrden.
  • 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 gleichm��iger als bei konventionellen Kraftstoffen.
  • Es tritt nur eine geringe Belastung des Motor�ls auf (kein Ru�, keine Kraftstoffverd�nnung, keine Dampfblasenbildung), die eine Viskosit�tsverminderung bewirken k�nnte.
  • Die Motoren weisen eine relativ lange Lebensdauer auf.
  • LPG ben�tigt keine Additive, da wegen der h�heren Oktanzahlen im Vergleich zu Benzin und der r�ckstandsfreien Verbrennung chemische Zus�tze überfl�ssig sind.
  • Die Klopffestigkeit ist relativ hoch, wodurch eine h�here Verdichtung als im Benzin-Betrieb m�glich ist.
  • Die Fahrzeug-Umr�stung ist problemlos m�glich und billiger als bei Erdgas-Fahrzeugen.
  • Der Energiebedarf und die Kosten füt Tankstellen sind geringer als bei Erdgas (kein gro�er Kompressor).
  • Im Vergleich zu Benzin und Diesel ist Flüssiggas deutlich billiger.
  • Flüssiggas ist unabhängig von einem Pipeline-Netz.

contra

  • Bivalente Fahrzeuge sind füt Benzin-Betrieb optimiert und weisen Leistungseinbu�en im Flüssiggas-Betrieb auf.
  • Die Umr�stung (bivalenter Betrieb) ist mit einer Verringerung der Ladekapazit�t verbunden, weil ein zus�tzlicher Tank eingebaut wird.
  • Monovalenter Betrieb ist aufgrund der wenigen Tankstellen kaum m�glich.
  • Die Umr�stkosten amortisieren sich nach etwa 30.000 Kilometern.
  • Umr�stung und Reparatur können nur von speziell ausgebildeten Mechanikern durchgef�hrt werden.
  • Es werden nicht s�mtliche Modelle aller Automobilhersteller umger�stet.
  • Flüssiggas ist schwerer als Luft und sammelt sich am Boden. Es verfl�chtigt sich nicht so schnell wie vergleichsweise Erdgas oder Wasserstoff.

⇒⇒⇒ weiter zu: Systeme



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

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