Kraftstoffverbrauch

Mit Kraftstoffmesssäulen wird in der Landtechnik häufig der Kraftstoffverbrauch bei verschiedenen Maschineneinstellungen verglichen

Der Kraftstoffverbrauch gibt die Menge von Kraftstoff an, die eine Verbrennungskraftmaschine innerhalb einer bestimmten Zeit verbrennt oder die beim Zurücklegen einer bestimmten Strecke durch ein Fahrzeug verbraucht wird.

Bei Straßenfahrzeugen wird in Europa gewöhnlich der Durchschnittsverbrauch auf einer Strecke von 100 Kilometern als Vergleichsgröße herangezogen. Bei anderen Landfahrzeugen sowie Luft- und Wasserfahrzeugen und bei Antrieben sind Angaben in Liter pro Stunde (l/h) bzw. Kilogramm pro Stunde (kg/h) verbreitet. Für Verbrennungsmotoren selbst ist der spezifische Kraftstoffverbrauch in Gramm pro Kilowattstunde (g/kWh) eine wichtige Kenngröße.

Chemische Zusammenhänge

Die in chemisch gebundener Form zugeführte Energie (Heizwert des Kraft- oder Treibstoffs) wird im Verbrennungsmotor in mechanische Arbeit umgewandelt. Der thermische Wirkungsgrad spiegelt jedoch nur die Effizienz der Energieumwandlung wider, ohne quantitative Aussagen über zugeführte chemische Energie und verrichtete mechanische Arbeit zu tätigen. Die nicht als mechanische Arbeit entnommene Energie des Kraftstoffes geht meist weitgehend als Wärmeenergie verloren; daher dienen zum Beispiel zur Beurteilung des Kraftstoffverbrauches von Fahrzeugen andere spezifische, von der Nutzung abhängige Bezugsgrößen, wie zurückgelegte Strecke, Zeit, Personenkilometer oder Tonnenkilometer.

Verbrauchsangaben bei Fahrzeugen

Bezug zur erbrachten Transportarbeit

Außer dem Antrieb spielt für den Verbrauch auch die Konstruktion des Fahrzeuges (Gewicht, Luftwiderstandsbeiwert (C_w), Stirnfläche) und die Logistik eine Rolle. Verkehrsmittel können besser verglichen werden, wenn der Verbrauch auf die Transportarbeit bezogen wird. Beispiele:

• Kraftstoffverbrauch pro Personenkilometer (pro Person bzw. Sitzplatz und Kilometer)
• Kraftstoffverbrauch pro Frachttonnen (oder -kubikmeter) und Kilometer

Dabei spielt die Auslastung der Verkehrsmittel, bei Flugzeugen auch die Flugstrecke eine große Rolle. Der durchschnittliche Verbrauch der deutschen Flotte pro Person und 100 Kilometer beträgt jetzt 3,64 Liter. Auf Flügen unter 800 km waren es durchschnittlich 5,4 l je 100 Personenkilometer. Ähnliches gilt auch für andere öffentliche Verkehrsmittel wie die Eisenbahn, die zwar im Durchschnitt energieeffizienter ist als einige andere motorisierte Verkehrsmittel, aber auf Nebenstrecken wegen der geringen Auslastung und im Hochgeschwindigkeitsverkehr wegen des Luftwiderstandes der Hochgeschwindigkeitszüge einen höheren Energieverbrauch und Endenergieverbrauch pro Personenkilometer hat. Auch beim motorisierten Individualverkehr, der in Deutschland ganz überwiegend durch Pkw erfolgt, spielt die Auslastung eine wichtige Rolle. So entfielen von den gut 924 Mrd. Personenkilometern, die 2008 in Deutschland erbracht wurden, nur rund 30 Prozent auf Mitfahrer, bei durchschnittlich knapp 1,5 Personen im Auto betrug die Auslastung nur rund 30 %. Im Gegenzug wurden 44 Mrd. l Kraftstoff verbraucht, womit sich 4,8 l je 100 Personenkilometer ergeben.

Vergleich nach Verkehrsmittel

• Bahn: ca. 2 l pro 100 Personenkilometer (Deutsche Bahn 52 Gramm CO₂ pro Personenkilometer; 0,20 kWh pro Personenkilometer)
• PKW: ca. 3–5 l pro 100 Personenkilometer (pro Fahrzeug 6–10 l Benzin pro 100 km; 185 Gramm CO₂/km; 0,60 kWh pro Personenkilometer)
• Flugzeug: ca. 2,7–5,9 l pro 100 Personenkilometer (Deutsche Flotte: Flüge unter 800 km 4,9-5,9 l, Langstreckenflüge über 3.000 km 2,7-3,5 l; Stand: 2017)

Spezifischer Verbrauch

Bei Verbrennungsmaschinen wird üblicherweise die verbrauchte Kraftstoffmenge je Arbeitseinheit angegeben, also der spezifische Kraftstoffverbrauch in g/kWh oder kg/kWh. Die Angabe in g/kWh erfolgt hauptsächlich für den Bestpunkt, den Betriebspunkt mit der höchsten Kraftstoffeffizienz. Der tatsächliche spezifische Verbrauch in Abhängigkeit von Drehzahl und Leistungsabgabe wird in einem Verbrauchskennfeld dargestellt, dessen grafische Darstellung an eine Muschelschale erinnert. Daher wird das Verbrauchskennfeld auch als Muscheldiagramm bezeichnet.

Bei Raketentriebwerken wird der spezifische Treibstoffverbrauch als spezifischer Impuls angegeben.

Wirkungsgrad

Wenn die spezifische Energie des Treibstoffs ($H_{i}$) und der spezifische Kraftstoffverbrauch der Maschine ($b_{e}$) bekannt ist, kann der effektive (Nutz-)Wirkungsgrad ausgerechnet werden. Zum Beispiel: Benzin oder Diesel hat einen Heizwert von etwa 11,6 kWh/kg und ein Automotor konsumiert im Bestpunkt etwa 0,2 kg/kWh

$\eta _{e}={\frac {1}{{H_{i}}\cdot {b_{e}}}}$

Bezug zum Heizwert

Bei Kraftwerken ist die Menge des pro Zeit verbrauchten Treib- oder Brennstoffes zwar logistisch interessant, deren Effizienz wird jedoch durch die umgewandelte Energiemenge pro Heizwert des Brennstoffes angegeben. Moderne Gas-Dampf-Kombikraftwerke können bis zu 60 % des Heizwertes in Elektroenergie umwandeln, Dieselgeneratoren bis zu 50 % und Kohlekraftwerke etwa 40 %.

Umrechnungen

Berechnung der CO₂-Emission auf Basis des Kraftstoffverbrauchs

Bei der Diskussion um den Treibhauseffekt wird der Kohlenstoffdioxid-Anteil (CO₂) an den Abgasen bewertet. Ein in diesem Sinn idealer Kraftstoff (für bodennahe Fahrzeuge) ist Wasserstoff. Er wird vollständig zu Wasser(dampf) umgesetzt. (Wasserdampf ist ein starkes Treibhausgas in hohen Erdatmosphäreschichten, wirkt jedoch als niedere Wolke temperatursenkend, siehe Wasserdampf#Klimaeffekte.) Das andere Extrem bildet reiner Kohlenstoff (Kohle), er verbrennt vollständig zu Kohlenstoffdioxid (CO₂). Gängige Treibstoffe bestehen überwiegend aus Kohlenwasserstoffen und liegen dazwischen (Wasserstoff wird hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen gewonnen, wobei dann ebenfalls Kohlenstoffdioxid frei wird; siehe Hauptartikel Wasserstoff). Der Kohlenstoffanteil von Kraftstoffen ist konstant und ein Kohlenstoffatom mit zwei Sauerstoffatomen bildet ein CO₂-Molekül. Andere Verbindungen bilden sich kaum. Daher lässt sich vom Verbrauch unmittelbar die Menge des erzeugten CO₂ berechnen, indem entsprechend der Molaren Masse zu jeweils 12 g Kohlenstoff 32 g Sauerstoff addiert werden.

Bei der Verbrennung entsteht aus

• 1 kg Kohlenstoff 3,67 kg CO₂
• Wasserstoff kein CO₂, nur Wasser

Neben Wasser und geringen Mengen anderer Verbrennungsprodukte entsteht bei der Verbrennung aus

• 1 l Diesel etwa 2,62 kg CO₂
• 1 l Benzin etwa 2,32 kg CO₂
• 1 l Autogas etwa 1,8 bis 2,0 kg CO₂
• 1,16 l Autogas etwa 2,1 bis 2,3 kg CO₂ (entspricht etwa der Energie in 1 l Benzin, da die Energiedichte von Benzin höher ist)

Bei der Verbrennung von einem Liter Diesel entsteht somit etwa 14 % mehr CO₂ als bei der Verbrennung von einem Liter Benzin, d. h. wenn ein Ottomotor einen Mehrverbrauch von etwa 14 % gegenüber einem Dieselmotor hat, sind die Motoren hinsichtlich des CO₂-Ausstoßes gleichwertig. Daher können Benzin- und Dieselfahrzeuge nicht einfach über den Kraftstoffverbrauch gemessen in Litern verglichen werden. Die Ursache sind Unterschiede im spezifischen Gewicht (Dichte von Diesel rund 12 % höher) sowie im Verhältnis zwischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen in den Molekülen beider Kraftstoffe.

Der von der Europäischen Kommission für PKW vorgeschlagene Richtwert von 130 g CO₂ pro km entspricht einem Verbrauch von 5,0 l/100 km Diesel bzw. 5,6 l/100 km Benzin. Das im Jahr 2012 in Kraft tretende EU-Emissionsgesetz schreibt eine Flottenemission von 120 g CO₂/km vor.

Umrechnung bei Kraftfahrzeugen von Verbrauchsangaben angegeben in [l/100 km] in [g/km CO₂]: Rechenbeispiel für einen Benziner mit 5,6 l/100 km Verbrauch:

5,6 l/100 km · 2,32 kg CO₂/l = 12,992 kg CO₂ /100 km = 129,92 g CO₂/km

Dabei handelt es sich um über 100 Kilometer gemittelte Werte. Fahrstrecken bergauf erhöhen die Emissionen drastisch, während Bergabfahrten bei Motor-Schubabschaltung keine kilometerbezogenen Emissionen verursachen.

Umrechnung zwischen l/100 km und mpg

Der blaue Graph stellt US liquid gallons dar; der rote Graph zeigt Imperial gallons (UK)

Im angloamerikanischen Maßsystem wird der Kraftstoffverbrauch bei Fahrzeugen in miles per gallon angegeben. Die Abkürzung lautet mpg oder MPG, bzw. MPGe beim Äquivalent für Elektrofahrzeuge. Die Einheit mpg bezeichnet die zurückgelegte Strecke in Meilen (1,609 km), für die eine Gallone Kraftstoff verbraucht wird. In einigen afrikanischen Ländern, in Italien, Japan und Südamerika sowie teilweise in den Niederlanden ist die Einheit Kilometer pro Liter gebräuchlich.

Bei der angloamerikanischen Volumeneinheit Gallone unterscheidet man zwei Varianten: im US-amerikanischen Maßsystem entspricht sie ca. 3,785 Litern, im britischen imperialen Maßsystem hingegen ca. 4,546 Litern. Daher wird zwischen mpg (US) und mpg (UK) unterschieden.

Umrechnung zwischen ^l⁄_100 km - mpg (US) - mpg (UK)

von	nach	Berechnung
$\mathrm {\frac {l}{100\,km}}$	$\mathrm {mpg\ (US)}$	$\mathrm {\frac {235}{({\frac {l}{100\,km}})}}$
$\mathrm {\frac {l}{100\,km}}$	$\mathrm {mpg\ (UK)}$	$\mathrm {\frac {282}{({\frac {l}{100\,km}})}}$
$\mathrm {mpg\ (US)}$	$\mathrm {\frac {l}{100\,km}}$	$\mathrm {\frac {235}{mpg\ (US)}}$
$\mathrm {mpg\ (UK)}$	$\mathrm {\frac {l}{100\,km}}$	$\mathrm {\frac {282}{mpg\ (UK)}}$
Genauigkeit: eine Stelle nach dem Komma

Beispiel A: Von 8 ^l⁄_100 km nach mpg (US): 235 / 8 ^l⁄_100 km = 29,4 mpg (US)

Beispiel B: Von 30 mpg (US) nach ^l⁄_100 km: 235 / 30 mpg (US) = 7,8 ^l⁄_100 km

Genauere Faktoren zur Konversion zwischen mpg und ^l⁄_100 km siehe Angloamerikanisches Maßsystem – Kraftstoffverbrauch

Kraftfahrzeuge

PKW

Für Kraftfahrzeuge wird in Europa der Kraftstoffverbrauch üblicherweise in Liter pro 100 km Fahrtstrecke für den genormten Fahrzyklus gem. 70/220/EWG angegeben. Er stellt vor allem eine Vergleichbarkeit von Fahrzeugen durch einheitliche Messung dar; eine Aussage über den tatsächlichen Verbrauch eines Fahrzeugtyps im tagtäglichen Fahrbetrieb ist zweitrangig. Er ist daher nur eingeschränkt aussagekräftig bzgl. der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit und der Höhe des CO₂-Ausstoßes von Automobilen. Der Wert wurde früher ermittelt, indem das Fahrzeug einen festgelegten Fahrzyklus absolviert und die dabei verbrauchte Kraftstoffmenge gemessen wird. Kritiker bemängeln, dass zur Ermittlung der Daten erfahrene Fahrer eingesetzt würden, die innerhalb der Vorgaben einen möglichst geringen Verbrauch erzielen.

Um einheitliche Randbedingungen zu schaffen, erfolgt die Ermittlung des Kraftstoffverbrauches seit dem 1. Januar 1996 generell auf einem Rollenprüfstand.

Die genormten Fahrzyklen stellen Durchschnittsprofile dar. Sie machen die Fahrzeuge untereinander vergleichbar, stimmen aber nicht mit dem Nutzungsprofil jedes Kunden überein, insbesondere nicht mit dem Profil von Kunden, die wenig vorausschauend fahren (häufiges Beschleunigen und Bremsen), die einen hohen Anteil ihrer Fahrtstrecke im Kurzstrecken- und Stadtverkehr zurücklegen und/oder die auf Autobahnen sehr hohe Geschwindigkeiten fahren.

Weit verbreitete Fahrzyklen sind:

• In der Europäischen Union wurde der Kraftstoffverbrauch für Kraftfahrzeuge basierend auf dem NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) nach der Richtlinie 80/1268/EWG Anh. I, zul. geändert durch 93/116/EG ermittelt. Dabei wird auf einem Teststand ein synthetischer Fahrzyklus mit klar abgegrenzten Beschleunigungs-, Konstantfahr- und Bremsphasen absolviert. Bei Fahrzeugen mit Handschaltgetriebe sind außerdem die gefahrenen Gangstufen vorgeschrieben.
• Der US-amerikanische FTP75 ist ein Zyklus, der die Abbildung einer im öffentlichen Straßenverkehr durchgeführten Fahrt darstellt.
• In Japan wird der sogenannte 10-15 Mode verwendet. Er ist (wie der NEFZ) ein synthetischer Zyklus, hat aber einen anderen Verlauf.

Die sich durch die verschiedenen Zyklen ergebenden Verbräuche unterscheiden sich zum Teil erheblich und sind daher nicht direkt miteinander vergleichbar. Technische Maßnahmen der Automobilhersteller zur Senkung des Kraftstoffverbrauches betreffen effizientere Motoren, Verringerung des Luftwiderstandes und des Rollwiderstandes der Reifen sowie alternative Antriebskonzepte. Da neuere Fahrzeuggenerationen meist breiter und höher ausfallen, steht einer Verbesserung des Luftwiderstandes durch den $c_{\mathrm {w} }$-Wert die Vergrößerung der Stirnfläche entgegen. Daneben kann vor allem das Nutzungsverhalten („energiesparende Fahrweise“) den Energieverbrauch stark senken.

Selten wird auch ein auf die Motorleistung bezogener Verbrauch angegeben, um die vermeintliche Effizienz eines leistungsstarken Motors zu propagieren. Dazu wird z. B. der im NEFZ ermittelte Kraftstoffverbrauch durch die Nennleistung dividiert. Diese Marketingaussage (siehe auch Greenwashing) hat jedoch überhaupt keine Aussagekraft, da bei maximaler Leistung Verbräuche auftreten, die weit jenseits der in den Fahrzyklen ermittelten Werte liegen und kein direkter Zusammenhang zwischen der Nennleistung eines Motors und dem Verbrauch in einem genormten Zyklus besteht.

Österreich

In Österreich müssen seit vielen Jahren in Pkw-Verkaufsprospekten, -inseraten und -plakaten von Händlern Angaben zum Kraftstoffverbrauch in einer – relativ kleinen – Mindestschriftgröße gemacht werden. Anfangs waren Angaben für Fahrt mit 90 km/h, 120 km/h und Stadtverkehr üblich, später auch ein „Drittelmix“ daraus. Seit 2010 basieren die Angaben auf Stadt- und Landverkehr und einem mit 1:2 gewichteten Mittel daraus.

Italien

Im Unterschied zu Deutschland oder Österreich nennt die in Italien übliche Kraftstoffverbrauchsangabe die Entfernung, die mit einem Liter Kraftstoff gefahren werden kann. Für die Umrechnung gilt also: 1/(x Liter/100 km)= y km/(1 Liter). Beispiel: Die Angabe 4,2 l/100 km entspricht 23,80 km/1 Liter.

LKW und Kraftomnibusse

Da LKW und Busse sich nur schlecht über den für PKW geltenden NEFZ darstellen lassen, gelten für sie andere Rahmenbedingungen, welche in DIN 70030 (Teil 2) niedergeschrieben sind.

Auch diese Fahrzeuge nach DIN 70010 (zu denen auch Lkw und Busse gehören) sind bei der Messfahrt mit serienmäßigen Schmiermitteln und Betriebsparametern (z. B. Reifendruck) zu konfektionieren. Das Fahrzeuggewicht entspricht dem mittleren Gewicht (Mittel aus maximal zulässigem und leerem Gewicht).

Auch an die Umgebungsbedingungen werden strenge Anforderungen gestellt. So muss trockenes und windstilles Wetter einer bestimmten Temperatur und eines bestimmten Luftdrucks vorherrschen. Die Prüfgeschwindigkeit entspricht 75 % der Fahrzeughöchstgeschwindigkeit.

Um Unsicherheiten auszugleichen, ist der über eine Prüfstrecke verbrauchte Kraftstoff um 10 % zu überhöhen.

Der Kraftstoffverbrauch macht im Nutzfahrzeugbereich bis zu 30% der Betriebskosten des Fahrzeuges aus . Das gilt besonders für den Fernverkehr, in dem das Fahrzeug täglich mehrere hundert Kilometer zurücklegt. Da Nutzfahrzeuge in der Regel als Investitionsgut betrachtet werden -- der Besitzer will damit Geld verdienen -- hat der Kraftstoffverbrauch im Nutzfahrzeugsegment einen sehr hohen Stellenwert und wird laufend optimiert. Der Kraftstoffverbrauch wird nicht nur von der Fahrzeugtechnik sondern sehr stark auch vom Verhalten des Fahrers und in gewissem Masse auch dem Wartungszustand des Fahrzeuges beeinflusst Ursache dafür sind unter anderem die starke Schwankung der Radabrollumfänge, die durch unterschiedliche Dimensionen montierter Räder (Sommer- oder Winterbereifung) oder durch verminderte Profiltiefe hervorgerufen werden.

Der tatsächliche Verbrauch ist stark vom Fahrverhalten des Fahrers und weiteren Umgebungsbedingungen wie Wetter, Straßenzustand usw. abhängig. Entgegen einigen Meinungen ist es durchaus möglich, die ermittelten Normverbrauchswerte noch zu unterbieten. Besonders großvolumige Motoren in Verbindung mit Handschaltgetrieben werden im NEFZ zu ungünstigen Motorbetriebspunkten gezwungen.

Nach einer Analyse des International Council on Clean Transportation lag der reale Verbrauch 2001 um 10 %, 2011 um 25 % über den offiziellen Herstellerangaben. Der Auto Club Europa kam 2012 auf durchschnittlich 19,6 % höhere Verbräuche.

Seit die Veröffentlichungspflicht zur Vergleichbarkeit führt und auch die Kaufentscheidungen beeinflusst, bemühen sich die Automobilhersteller, möglichst gute Werte zu veröffentlichen. Dazu werden sämtliche Maßnahmen getroffen, die das Ergebnis positiv beeinflussen. In diesem Zuge wird den Herstellern vorgeworfen, immer wieder realitätsferne oder gar den Normvorgaben entgegenstehende Maßnahmen einzusetzen. Dazu zählen beispielsweise:

• Einsatz besonders rollwiderstandsarmer, mit hohem Luftdruck befüllter Spezialreifen (meist besonders klein und schmal; der Luftdruck muss noch innerhalb der Herstellerangaben liegen und die Reifen müssen am Markt frei erhältlich und für den Fahrzeugtyp zugelassen sein)
• Verwendung spezieller Schmiermittel, die den Energieverlust durch Reibung vermindern (ebenfalls innerhalb der von den Herstellern zugelassenen Öltypen)
• Abschalten von Energieverbrauchern
• Korrektur der Spur (kann den Verschleiß erhöhen und/oder die Sicherheit verschlechtern)
• Möglichst geringes Gewicht durch Entnahme nicht notwendigen Zubehörs (Ersatzreifen, Bordwerkzeug u. ä.)
• Messung in der Basisversion ohne optionale Ausstattung
• Speziell optimierter Betriebsmodus, wenn die Fahrzeugsteuergeräte erkennen, dass ein Test auf einem Rollenprüfstand erfolgt, siehe auch VW-Abgasskandal
• Abkoppeln der Lichtmaschine durch das Steuergerät, so dass kein Benzinverbrauch für das Aufladen der Batterie anfällt
• Verringerung des Fahrzeuggewichts durch spezielle Ausstattung
• Türschlitze und Kühlergrill werden verklebt, um eine bessere Aerodynamik zu erreichen
• Auswahl eines herausragenden Fahrzeugs aus der Produktion

Siehe auch

• Klimaschutz#energiesparende Fahrweise
• Leistungsgewicht
• Flottenverbrauch
• Niedrigenergiefahrzeug
• Motorenbenzin
• Gleiten statt Hetzen
• Shell Eco-Marathon
• Spritmonitor

Weblinks

• Kraftstoffsparmythen (Vortrag)
• Leitfaden zu Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen, dat.de – Verbrauchswerte aller neuen Personenkraftwagen, die in Deutschland angeboten werden (PDF-Datei; 970 kB)