„Kraftstoff“ – Versionsunterschied

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Die Möglichkeit, einen Treibstoff in einem Motor einzusetzen, hängt nicht nur von dessen Brennwert ab, sondern auch von der Auslegung des Motors und seiner Treibstoffzufuhr, den jeweiligen chemischen und physikalischen Eigenschaften des Treibstoffes und der ihm beigemischten [[Additiv]]e. Beispielsweise können sich [[Ventil (Motor)|Ventile]] und Ventilsitze, die für die Verbrennung von Benzin ausgelegt worden sind, bei Betrieb mit Erdgas oder Autogas (keine Beimischung von Additiven) schneller abnutzen, weshalb Fahrzeughersteller ihre Erdgasfahrzeuge mit speziellen für Erdgasbetrieb ausgelegten Motoren ausstatten.
Die Möglichkeit, einen Treibstoff in einem Motor einzusetzen, hängt nicht nur von dessen Brennwert ab, sondern auch von der Auslegung des Motors und seiner Treibstoffzufuhr, den jeweiligen chemischen und physikalischen Eigenschaften des Treibstoffes und der ihm beigemischten [[Additiv]]e. Beispielsweise können sich [[Ventil (Motor)|Ventile]] und Ventilsitze, die für die Verbrennung von Benzin ausgelegt worden sind, bei Betrieb mit Erdgas oder Autogas (keine Beimischung von Additiven) schneller abnutzen, weshalb Fahrzeughersteller ihre Erdgasfahrzeuge mit speziellen für Erdgasbetrieb ausgelegten Motoren ausstatten.


Darüber hinaus muss nach dem Zündungsprinzip unterschieden werden, ob also Selbstzündung (Dieselmotor) oder Fremdzündung (Ottomotor) verwendet wird.
Darüber hinaus muss nach dem Zündungsprinzip unterschieden werden, ob also Selbstzündung (Dieselmotor) oder Fremdzündung (Ottomotor) verwendet wird <ref> Michael Hilgers: ''Nutzfahrzeugtechnik: Alternative Antriebe und Ergänzungen zum konventionellen Antrieb'', SpringerVieweg, Wiesbaden 2016, 71 Seiten, ISBN 978-3-658-14642-9, E-Book: ({{DOI|10.1007/978-3-658-15492-9}}). </ref>.
Ein weiterer wichtiger Diskussionspunkt bei der Verwendung alternativer Kraftstoffe ist die Frage,
ob er sich in die bestehende Infrastruktur eingliedern lässt oder eine neue Infrastruktur erfordert.
Besonders günstig in dieser Hinsicht sind alternative Kraftstoffe, die sich den bestehenden konventionellen Kraftstoffen aus fossilen Kohlenwasserstoffen beimischen lassen.
Der Beimischungsanteil lässt sich dann "Infrastrukturneutral" allmählich anheben.

Ein entscheidender Aspekt bei der Bewertung der Kraftstoffe (konventioneller wie alternativer Kraftstoffe) ist die Kostensituation für den Verbraucher.
Die Kraftstoffkosten sind stark von der nationalen Besteuerung abhängig und variieren je nach Land erheblich (siehe unten "Kraftstoffpreisentwicklung")



== Alternative Kraftstoffe ==
== Alternative Kraftstoffe ==

Version vom 6. April 2018, 09:02 Uhr

Ein Kraftstoff (auch Treibstoff) ist ein Brennstoff, dessen chemische Energie durch Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen (Verbrennungsmotor, Gasturbine, …) und Raketentriebwerken in Antriebskraft umgewandelt wird.

Kraftstoffe werden überwiegend zum Antrieb von Fortbewegungsmitteln (Kraftfahrzeug, Flugzeug, Schiff, Rakete) verwendet. Da sie jeweils mittransportiert werden müssen, werden häufig Stoffe mit einer hohen Energiedichte eingesetzt. Aber auch stationäre Verbrennungsmotoren werden mit ihnen betrieben.

Bei der Verbrennung wird als Oxidator meist der Luft-Sauerstoff verwendet, teils, vor allem bei Raketen, aber auch ein eigener Oxidator wie verflüssigter Sauerstoff, Lachgas oder Salpetersäure.

Nomenklatur

Die Abgrenzung des Begriffes Kraftstoff zu dem Begriff Treibstoff ist nicht durchgängig einheitlich geregelt:

  • Als Kraftstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zur direkten Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine genutzt wird. Besonders gängig ist der Begriff im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik.
  • Als Treibstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels, seltener auch einer stationären Maschine, verwendet wird. Somit schließt der Begriff die Kraftstoffe mit ein. Besonders gängig ist der Begriff Treibstoff im Bereich der Schifffahrt und der Luft- und Raumfahrt.

In den meisten anderen Sprachen gibt es die Unterscheidung so nicht. So bedeutet z. B. im Englischen der Begriff fuel allgemein Brennstoff. Dies schließt Kraftstoffe (manchmal motor fuel genannt) und Treibstoffe (manchmal propellant genannt) mit ein.

Nicht als Kraftstoff bezeichnet werden üblicherweise Stoffe, die zwar als Energieträger für einen Antrieb dienen, bei denen aber keine chemische Energie freigesetzt wird, z. B. Wasser für eine Wasserturbine oder Uran für den Kernreaktor eines Nuklearantriebs.

Arten von Kraftstoffen

Flüssige Kraftstoffe

Gasförmige Kraftstoffe

Feste Kraftstoffe

Verfahren zur Herstellung oder Gewinnung von Kraftstoffen

Vergleich von Kraftstoffen

Für die Reichweite eines Fahrzeugs sind neben dem Wirkungsgrad seiner Aggregate u. a. das Volumen des Tanks und die darin gespeicherte Energie ausschlaggebend. Der physikalische Vergleich der Heizwerte (kWh pro m³) zeigt, dass flüssige Treibstoffe hinsichtlich ihrer Energiedichte optimal sind. Bei Gasen hängt der Energiegehalt stark vom Druck ab.

Name Aggregatzustand Dichte in
kg/m³ [A 1]
Heizwert in
kWh/kg [A 1]
Heizwert pro
Volumeneinheiten[A 2]
Wasserstoff gasförmig (Normaldruck)   0,09 [1] 37,0   3,3 kWh/m³
Wasserstoff gasförmig (20 MPa) 37,0   530 kWh/m³
Wasserstoff flüssig 70,8 [2] 37,0   2619 kWh/m³
Erdgas H-Gas (CNG/GNV) gasförmig (Normaldruck)   0,81 13,0   10,5 kWh/m³
Erdgas L-Gas (CNG/GNV) gasförmig (Normaldruck)   0,82 11,3   9,3 kWh/m³
Erdgas gasförmig (20 MPa) 12,0 2580 kWh/m³
Autogas („Flüssiggas“) flüssig 540   12,8   6966 kWh/m³
Superbenzin flüssig 748 [3] 11,4 [4] 8527 kWh/m³
Methanol flüssig 787 [5] 5,53 [6] 4352 kWh/m³
Ethanol flüssig 789 [7]   7,43 [7] 5862 kWh/m³
Benzin-Benzol-Gemisch flüssig 796   11,6   9300 kWh/m³
Diesel flüssig 833 [8] 11,9 [9] 9912 kWh/m³
Benzol flüssig 879 [10] 11,1 [6] 9756 kWh/m³
Pflanzenöl flüssig 918 [11] 10,4 [11] 9547 kWh/m³
  1. a b Für komplexe Stoffgemische sind Durchschnitts- bzw. Mittelwerte angegeben.
  2. Berechnet aus dem jeweiligen bequellten Wert nach wenn nicht anders angegeben.

Die Möglichkeit, einen Treibstoff in einem Motor einzusetzen, hängt nicht nur von dessen Brennwert ab, sondern auch von der Auslegung des Motors und seiner Treibstoffzufuhr, den jeweiligen chemischen und physikalischen Eigenschaften des Treibstoffes und der ihm beigemischten Additive. Beispielsweise können sich Ventile und Ventilsitze, die für die Verbrennung von Benzin ausgelegt worden sind, bei Betrieb mit Erdgas oder Autogas (keine Beimischung von Additiven) schneller abnutzen, weshalb Fahrzeughersteller ihre Erdgasfahrzeuge mit speziellen für Erdgasbetrieb ausgelegten Motoren ausstatten.

Darüber hinaus muss nach dem Zündungsprinzip unterschieden werden, ob also Selbstzündung (Dieselmotor) oder Fremdzündung (Ottomotor) verwendet wird [12]. Ein weiterer wichtiger Diskussionspunkt bei der Verwendung alternativer Kraftstoffe ist die Frage, ob er sich in die bestehende Infrastruktur eingliedern lässt oder eine neue Infrastruktur erfordert. Besonders günstig in dieser Hinsicht sind alternative Kraftstoffe, die sich den bestehenden konventionellen Kraftstoffen aus fossilen Kohlenwasserstoffen beimischen lassen. Der Beimischungsanteil lässt sich dann "Infrastrukturneutral" allmählich anheben.

Ein entscheidender Aspekt bei der Bewertung der Kraftstoffe (konventioneller wie alternativer Kraftstoffe) ist die Kostensituation für den Verbraucher. Die Kraftstoffkosten sind stark von der nationalen Besteuerung abhängig und variieren je nach Land erheblich (siehe unten "Kraftstoffpreisentwicklung")


Alternative Kraftstoffe

Als Alternative Kraftstoffe werden Kraftstoffe bezeichnet, die herkömmliche aus Mineralöl hergestellte Kraftstoffe ersetzen können. Hierbei wird unterschieden zwischen Kraftstoffen aus fossilen Energieträgern und solchen, die aus biogenen Energieträgern hergestellt sind.

  • Erdgas (CNG) ist seit den 1990er Jahren in Deutschland verfügbar. In Argentinien, Brasilien und Italien fahren bereits Millionen Automobile damit.
  • Ethanol-Kraftstoff (Bio-Ethanol) wird aus Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Weizen gewonnen. Seit 2005 wird es in Deutschland in geringen Mengen dem normalen Benzin beigemischt. In Brasilien fahren bereits viele Automobile damit, siehe Flexible Fuel Vehicle. Verfahren zur Gewinnung von Cellulose-Ethanol aus pflanzlicher Biomasse befinden sich in der Entwicklung.
  • Biodiesel wird aus mit Methanol veresterten Pflanzenölen hergestellt. Basis der Pflanzenöle ist unter anderem der Samen der Rapspflanze. Er wird auch dem mineralischen Diesel aus Klimaschutzgründen beigemischt. Da die Eigenschaften von Biodiesel in vielen Punkten denen von mineralischem Diesel sehr ähnlich sind, können auch nicht umgerüstete Dieselmotoren mit diesem Kraftstoff betrieben werden. Da sich Biodiesel wie ein leichtes Lösungsmittel verhält, können unter Umständen Dichtungen und Schläuche im Kraftstoffsystem angegriffen werden, wenn diese nicht beständig gegen Biodiesel sind. Nachteilig ist der hohe Aufwand zur Herstellung und die geringe Dezentralität der in Deutschland betriebenen Biodieselanlagen. Zudem kann Biodiesel eine große Menge Wasser aufnehmen, was zu Korrosionsproblemen an der Einspritzausrüstung führen kann.
  • Biogas kann für stationäre Motoren und zu Heizzwecken in der Nähe der Erzeugeranlagen eingesetzt werden, aber auch Erdgasfahrzeuge können damit betankt werden.
  • BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid) wird auch unter dem Markennamen SunDiesel vertrieben. Er wird aus Biomasse, wie z. B. Holz oder Stroh gewonnen. BtL befindet sich noch in der Erprobungsphase und hat noch einen großen Forschungsbedarf. Bei ihm können alle Bestandteile der Pflanze genutzt werden und er besitzt eine hohe Energiedichte. Auch konventionelle Dieselfahrzeuge können damit fahren. Eine Gesamtenergiebilanz der BTL-Prozesse liegt derzeit noch nicht vor.
  • Reine Pflanzenöle z. B. aus Raps, Sonnenblume oder Leindotter, auch „Pöl“ oder Naturdiesel genannt, können als Kraftstoff in Dieselmotoren eingesetzt werden. Insbesondere die höhere Viskosität gegenüber Dieselkraftstoff führt dazu, dass zum dauerhaften Betrieb von Dieselmotoren mit Pflanzenöl eine Anpassung des Kraftstoff- und Einspritzsystems notwendig wird. Die Vorteile von Pflanzenöl sind neben der CO2-Neutralität die Möglichkeit der dezentralen Herstellung, die hohe Energiedichte und das geringe Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt (nicht wassergefährdend, kein Gefahrgut, ungiftig, hoher Flammpunkt).
  • Wasserstoff kann aus Wasser (H2O) mittels Elektrolyse gewonnen werden. Kostengünstiger ist allerdings die Gewinnung durch direkte chemische Umwandlung von Erdgas (Steam-Reforming), wobei CO2 entsteht. Wasserstoff lässt sich mit Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen nutzen.
  • Holzgas war in den 1940er Jahren eine verbreitete Alternative unter dem Druck von akutem Kraftstoffmangel. In Finnland sind Fahrzeuge mit selbstgefertigten Holzvergasern auch heute noch anzutreffen. Bei dem Verfahren verschwelt normales Holz, oft Holzabfälle, unter Luftabschluss in einem Druckkessel oder zersetzt sich unter Luftmangelverbrennung. Die entstehenden brennbaren Gase (überwiegend Methan bei Luftabschluss, überwiegend Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Methan bei Luftmangelzersetzung) werden nach Kühlung und Reinigung einem Motor zugeführt. Stationäre Holzgasanlagen werden zu Heizzwecken und in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen eingesetzt.
  • Polyoxymethylendimethylether kurz OME (mit n zwischen 3 und 5) können als Dieselkraftstoffkomponenten oder vollständige Alternative[13] zum Dieselkraftstoff verwendet werden.[14][15][16][17][13] Sie bewirken dabei eine Minderung der Rußemissionen während des Verbrennungsprozesses.[18] Die Produktionskosten für die Herstellung von OME sind vergleichbar mit der Herstellung von Dieselkraftstoff.[19] Der Primärrohstoff zur Herstellung von OME ist Methanol welches sowohl aus konventionellem Erdgas, als auch regenerativ aus COx und Wasserstoff hergestellt werden kann.

Unter dem Begriff Elektrokraftstoffe (engl. Electrofuels) wird eine Reihe von alternativen Kraftstoffen zusammengefasst, die mit Hilfe von elektrischer Energie hergestellt werden. Um das Konzept wirtschaftlich zu machen, wird diese Energie sinnvollerweise auf regenerativem Weg, also z. B. in Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerken, erzeugt. Mittels Elektrolyse von Wasser wird Wasserstoff gewonnen, der entweder direkt als Kraftstoff (z. B. für Brennstoffzellenfahrzeuge) verwendet werden kann oder mit CO2 zu unterschiedlichen gasförmigen („Power-to-gas“) oder flüssigen („Power-to-liquid“) Kohlenwasserstoffen reagieren kann; auf diesem Weg lassen sich beispielsweise Methan oder Alkohole herstellen, die in konventionellen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Dies bietet die Möglichkeit, auch Nutzfahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge weitgehend CO2-neutral anzutreiben, für die aktuell noch keine tragfähigen Elektrifizierungskonzepte bestehen.[20]

Umwelt

Die bei der Verbrennung von Kraftstoffen freigesetzten Abgase bewirken Gesundheits- und Umweltschäden wie Sauren Regen und den Treibhauseffekt und somit die globale Erwärmung. Insbesondere CO2, CO und Stickoxide spielen dabei wichtige Rollen. Weiterhin ist das im Benzin befindliche Benzol erwiesenermaßen karzinogen. Art und Umfang der freigesetzten Schadstoffe sind im Wesentlichen von der Zusammensetzung des Kraftstoffes, der Bauart des Motors und (wenn genutzt) der Abgasnachbehandlung abhängig. In Deutschland regelt die 10. BImSchV die Zusammensetzung und Qualität der Kraftstoffe, um die Luftbelastungen zu mindern. Die Verordnung regelt die Beschaffenheit von Otto- und Dieselkraftstoffen, Gasöl, Biodiesel, Ethanol, Flüssiggas, Erdgas, Biogas und Pflanzenölkraftstoff.[21]

Kraftstoffpreisentwicklung

Siehe auch: Motorenbenzin, Abschnitt Preise, Erdgasfahrzeuge, Abschnitt Kraftstoffpreise und Markttransparenzstelle für Kraftstoffe

Kraftstoffpreise weltweit (Auswahl) in Euro (ohne Berücksichtigung von Lohnniveau und Lebenshaltungskosten):[22][23]

Land 1 l Super (98) in Euro 1 l Diesel in Euro 1 kg CNG-Erdgas in Euro Jahr
Argentinien 1,44 1,12 0,53 2011
Bolivien 0,50 0,38 0,17 2011
Brasilien 0,92 0,61 0,37 2011
Chile 0,54 0,33 0,21 2011
Deutschland 1,55 1,45 0,99 2011
Frankreich 1,21 1,03 0,55 2011
Italien 1,30 1,14 0,80 2011
Kanada 0,38 0,29 0,19 2011
Kolumbien 0,50 0,25 0,21 2011
Mexiko 0,46 0,33 0,19 2011
Niederlande 1,42 1,03 k. A. 2011
Österreich 1,11 0,94 0,89 2011
Portugal 1,28 1,00 k. A. 2011
Saudi-Arabien 0,10 0,05 k. A. 2011
Spanien 1,06 0,90 k. A. 2011
USA 0,57 0,58 0,43 2011
Venezuela 0,09 0,05 0,002 2011

1 kg Erdgas entspricht ca. 1,5 Liter Super, ca. 1,3 Liter Diesel

Siehe auch

Wiktionary: Kraftstoff – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Literatur

Einzelnachweise

  1. Dichte bei 0 °C. Eintrag zu Wasserstoff in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich)
  2. Dichte bei –253 °C. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89. Auflage. (Internet-Version: 2009), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-17.
  3. Dichte bei 15 °C. Norm DIN EN 228:2014-10 Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge – Unverbleite Ottokraftstoffe – Anforderungen und Prüfverfahren (beuth.de).
  4. Konrad Reif: Ottomotor-Management: Steuerung, Regelung und Überwachung. 4., vollst. neubearb. Auflage. Springer-Verlag, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-8348-2102-7, S. 69 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. Dichte bei 25 °C. Eintrag zu Methanol. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag
  6. a b Yaşar Demirel: Energy: Production, Conversion, Storage, Conservation, and Coupling. Springer, London 2012, ISBN 978-1-4471-2372-9, S. 38, doi:10.1007/978-1-4471-2372-9 (Dort entnommen aus The Engineering Toolbox).
  7. a b Dichte bei 20 °C. Eintrag zu Ethanol. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag
  8. Dichte bei 15 °C. Norm DIN EN 590:2017-10 Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge – Dieselkraftstoff – Anforderungen und Prüfverfahren (beuth.de).
  9. Jan Hoinkis: Chemie für Ingenieure. Wiley-VCH, Weinheim 2015, ISBN 978-3-527-68461-8 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  10. Dichte bei 20 °C. Eintrag zu Benzol. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag
  11. a b Dichte bei 15 °C. Norm DIN 51605:2010-09 Kraftstoffe für pflanzenöltaugliche Motoren – Rapsölkraftstoff – Anforderungen und Prüfverfahren (beuth.de).
  12. Michael Hilgers: Nutzfahrzeugtechnik: Alternative Antriebe und Ergänzungen zum konventionellen Antrieb, SpringerVieweg, Wiesbaden 2016, 71 Seiten, ISBN 978-3-658-14642-9, E-Book: (doi:10.1007/978-3-658-15492-9).
  13. a b Björn Lumpp, Dieter Rothe, Christian Pastötter, Reinhard Lämmermann, Eberhard Jacob: Oxymethylenether als Dieskraftstoffzusätze der Zukunft. In: MTZ – Motortechnische Zeitschrift. Band 72, Nr. 3 2011, S. 198–203, doi:10.1365/s35146-011-0049-8.
  14. Patent US5746785: Diesel fuel having improved qualities and method of forming. Veröffentlicht am 5. Mai 1998, Erfinder: D. Moulton, David Naegeli.
  15. Patent EP1899438: Biodieselkraftstoffgemisch enthaltend polyoxymethylendialkylether. Veröffentlicht am 11. April 2012, Erfinder: G.-D. Tebben, H. Schelling, E. Ströfer, R. Pinkos, Andrea Haunert, Matthias Eiermann, Jörn Karl.
  16. M. Härtl, P. Seidenspinner, E. Jacob, G. Wachtmeister: Oxygenate screening on a heavy-duty diesel engine and emission characteristics of highly oxygenated oxymethylene ether fuel OME1. In: Fuel. Band 153, 2015, S. 328–335, doi:10.1016/j.fuel.2015.03.012.
  17. L. Lautenschütz, D. Oestreich, P. Seidenspinner, U. Arnold, E. Dinjus, J. Sauer: Physico-chemical properties and fuel characteristics of oxymethylene dialkyl ethers. In: Fuel. Band 173, 2016, S. 129–137, doi:10.1016/j.fuel.2016.01.060.
  18. Johannes Liebl, Christian Beidl (Hrsg.): Internationaler Motorenkongress 2015 Mit Nutzfahrzeugmotoren – Spezial. Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-658-08861-3, S. 267 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  19. N. Schmitz, J. Burger, E. Ströfer, H. Hasse: From methanol to the oxygenated diesel fuel poly(oxymethylene) dimethyl ether: An assessment of the production costs. In: Fuel. Band 185, 2017, S. 67–72, doi:10.1016/j.fuel.2016.07.085.
  20. Roman Irlinger: Nachbericht zum 14. Internationalen CTI Symposium, 7.–10. Dezember 2015, Berlin. In: transmission-symposium.com. Euroforum Deutschland GmbH, 21. Dezember 2015, abgerufen am 11. August 2016.
  21. Zehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über die Beschaffenheit und die Auszeichnung der Qualitäten von Kraft- und Brennstoffen - 10. BImSchV).
  22. Fuel Prices. In: iru.org.
  23. Worldwide fuel prices. In: ngvjournal.com.