Bei dieser hier veröffentlichten Arbeit handelt es sich um eine
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Bei dieser hier veröffentlichten Arbeit handelt es sich um eine Zusammenfassung der Flüssiggas-Technologie aus dem Jahr 2000. Weiterführende und aktuellere Informationen können bestellt werden. Einen guten Überblick verschafft das grad Ende März 2004 erschienene Buch: Erneuerbare Energien und Alternative Kraftstoffe - Mit neuer Energie in die Zukunft 1. Einleitung Für vielerlei Anwendungen werden wegen der günstigeren Abgasqualität vielfach Gasmotoren (Ottomotoren) eingesetzt. Als gasförmiger Kraftstoff bietet sich Flüssiggas an, weil z. B. die Speicherbedingungen einfacher sind als vergleichsweise bei Erdgas. Dieses Gasgemisch aus Propan und Butan (LPG = Liquefied Petroleum Gas) liegt schon bei mäßigen Drücken flüssig vor. Die Klopffestigkeit ist mindestens so hoch wie die von Super-Benzin. Für den Fahrzeug-Motorbetrieb wird aus dem Tank flüssiges LPG zu einem Verdampfer / Druckregler geleitet und dort auf den für den Gasmischer bzw. die Einblasventile nötigen Vordruck entspannt, wonach der Kraftstoff gasförmig vorliegen sollte. Bei den Motoren, die in dieser Arbeit besprochen werden, handelt es sich um flüssiggas-betriebene Otto-Motoren. Flüssiggas ist ein Propan / Butan - Gemisch und findet neben der Nutzung in Campingkochern und Gasheizungen hauptsächlich als Fahrzeug-Kraftstoff seine Anwendung. Wegen der geringeren Schadstoff-Emissionen von Flüssiggas im Vergleich zu Benzin- oder Diesel-Kraftstoff, wird es vielfach für Flurförderzeuge in Lagerhallen und in der Lebensmittelindustrie verwendet. Dank der geringeren Kraftstoffkosten in Relation zu Benzin und Diesel findet Flüssiggas auch zunehmend bei Pkw, leichten Nutzfahrzeugen und Bussen Verbreitung. Als Auftakt dieser Arbeit soll eine kurze Darlegung die momentane Situation bei den Energiereserven verdeutlichen. Die Betrachtung der Vorräte von Primärenergieträgern sowie des Energieverbrauchs kann helfen, die Notwendigkeit der Suche nach alternativen Energiequellen zu verstehen. Da sich diese Arbeit hauptsächlich mit Flüssiggas als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe befaßt, bedarf es einer eingehenden Untersuchung der Eigenschaften dieses Kraftstoffes im Vergleich zu Benzin und Diesel. Zu so einem Vergleich gehört unter anderem auch die Analyse der Schadstoff-Emissionen und der Speichermedien. Des weiteren werden die Anforderungen an die gesamten Flüssiggas-Systeme dargelegt. Dazu zählt bei mobilen Antrieben die gesamte Kraftstoffzufuhr vom Tank bis zur Brennkammer inklusive der elektronischen Steuerung. 2. Primärenergieträger 2.1 Zeitliche Verfügbarkeit Die Energieversorgung auf der gesamten Erde wird größtenteils über Öl, Gas, Kohle und Kernenergie gedeckt. Die verschiedenen Energieträger weisen unterschiedliche Merkmale in Hinsicht ihrer zeitlichen Verfügbarkeit, ihrer Förderung und ihres Emissionsverhaltens auf. Sollen unterschiedliche Energieträger verglichen werden, stellt sich immer die Frage nach der Umweltbilanz der gesamten Energieumwandlungskette. Die Umwandlungskette umfaßt die Förderung, die Speicherung, den Transport, die Aufbereitung, die Nutzung sowie die etwaige Entsorgung. Da ein dementsprechender Vergleich von Flüssiggas mit anderen Energieträgern den Umfang dieser Arbeit sprengen würde, wird im folgenden lediglich auf einige Aspekte eingegangen wie z. B. die zeitliche Verfügbarkeit. Die Primärenergie ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn natürliche Energieträger verbrannt ("verbraucht") werden. Zu diesen Energieträgern gehören unter anderem die fossilen Energieträger Braunkohle, Steinkohle, Mineralöl und Erdgas. Abb. 1: Primärenergie-Verbrauch [http://www.ruhrgas.de/deutsch/, 1999] In Deutschland wurden im Jahr 1998 insgesamt 86 % des gesamten Energieverbrauchs durch fossile Energieträger gedeckt (s. Abb. 1). Der Anteil von Mineralöl lag bei rund 40 %, der von Erdgas bei etwa 21 %. Flüssiggas nahm etwa einen Anteil von 1 % ein. Verglichen mit dem Vorjahr nahm bei fast allen Energieträgern der Verbrauch ab, bei Braunkohle und Kernenergie beispielsweise jeweils um 5 %. Nur bei Erdgas (+ 0,4 %) und bei sonstigen (+ 7,2 %) nahm der Anteil zu. Die Ölreserven gemäß der Studie von Petroconsultants (1996): · bisherige Förderung: 784 Mrd. Barrel · bekannte Reserven: 836 Mrd. Barrel · mögliche Funde: 180 Mrd. Barrel · insgesamt weltweit mit heutiger Technik wirtschaftlich förderbare Ölmenge: 1800 Mrd. Barrel [Campbell C. J., 1997] Diese Zahlen zeigen, daß im Jahr 1996 fast die Hälfte des Erdölvorkommens aufgebraucht war. Jetzt um das Jahr 2000 herum ist der sogenannte "mid-depletion point" erreicht. Das ist der Zeitpunkt, zu dem die Hälfte des insgesamt förderbaren Öls tatsächlich bereits gefördert wurde. Einige klassische Erdölförderländer (z. B. USA, Deutschland, Rumänien) haben ihren Förderhöhepunkt seit einiger Zeit hinter sich. Ihre Förderung nimmt stetig weiter ab. Die meisten OPEC-Länder hingegen haben diesen Punkt noch nicht erreicht. Die vorhandene Reserven dieser Mineralölorkommen sowie aller anderen fossilen Energieträger ist begrenzt. Somit muß überlegt werden, welcher Energieträger sich für den Ge- bzw. Verbrauch in welchem Bereich am besten eignet und ob nicht als Übergang andere Medien die gleiche Funktion erfüllen können. Mineralöl gilt als sogenannter "hochwertiger Energieträger", weil aus Öl auch andere Produkte erzeugt werden können, für die es z. T. bislang keine Alternativen gibt (z. B. Kunststoffe, Medikamente usw.). Bei Flüssiggas und Erdgas handelt es sich ebenfalls um endliche, fossile Primärenergieträger. Der Vorteil dieser Gase z. B. gegenüber Öl besteht jedoch darin, daß sie als Übergangsprodukte fungieren können für eine eventuell später einmal zu realisierende Wasserstoffwirtschaft. Jetzt gesammelte Erfahrungen könnten in einigen Jahren bei der Anwendung von Wasserstoff als Energieträger genutzt werden. Langfristig ist es sicherlich notwendig, einen gänzlich neuen Weg der Ener-gieversorgung zu finden. 2.2 Förderung und Verbrauch von Flüssiggas Flüssiggas ist kein Produkt, das wie Erdöl oder Kohle gefördert wird. Es ist eher ein Begleitprodukt, daß bei der Rohölverarbeitung in Raffinerien und bei der Erdöl- bzw. Erdgasförderung entsteht. Bei der Gasförderung wird nasses Roh-Erdgas in Kondensat und trockenes Erdgas getrennt. Dem trockenen Erdgas wird danach Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff entzogen, so daß hauptsächlich Methan (CH4) übrigbleibt. Das Kondensat wird zu Propan und Butan weiterverarbeitet. Da die verschiedenen Gase unterschiedliche Siedepunkte besitzen, können sie problemlos durch die Variation von Druck und Temperatur getrennt werden. Durch Destillation werden auch Komponenten wie Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser herausgefiltert. Vor Jahren wurden die bei der Förderung und Verarbeitung freiwerdenden Gase noch größtenteils abgefackelt, d.h. ihre Energie wurde ungenutzt freigesetzt. Dies ist zum Teil heute immer noch gängige Praxis. Der nutzbargemachte Anteil ist jedoch bereits enorm angestiegen. Als weitere Quellen zur Flüssiggas-Gewinnung eignen sich Krackgase, die bei der Verarbeitung von Schwerölen (Kracken) entstehen. Außerdem fällt Flüssiggas als Nebenprodukt bei etlichen chemischen IndustrieProzessen an. Tab. 1: Der Flüssiggas-Absatz in Deutschland nach Angaben des Mineralölwirtschaftsverbandes Absatz in Tonnen 1997 Veränderung zu 1996 in % Flüssiggasversorgungsunternehmen 1.765.104 - 2,8 Industrie 237.614 - 22,9 Gaserzeugung 8.363 - 11,9 Chemie 1.086.978 - 11,9 Inlandsabsatz 3.098.059 - 8,0 Export 477.432 - 22,4 Gesamt 3.575.491 - 8,0 [http://www.langegas.com, 1999] Der Absatz von Flüssiggas in allen Wirtschaftsbereichen ist 1997 gegenüber dem Vorjahr um mehrere Prozente zurückgegangen (s. Tab. 1). Bei einer detaillierteren Auflistung der Bereiche wird deutlich, daß lediglich die Sparte "Autogas" (Flüssiggas für Fahrzeugantriebe) einen geringen Anstieg (+1,0 %) zu verzeichnen hat. [http://www.langegas.com, 1999] Beim weltweiten Flüssiggas-Verbrauch (s. Abb. 2) liegt Nord-Amerika mit knapp einem Drittel des Gesamtverbrauchs als größter Konsument an der Spitze, gefolgt von Asien mit 26 % und West-Europa mit 16 %. Abb. 2: Flüssiggas-Verbrauch [http://www.langegas.com, 1999] Der Energieverbrauch nimmt von Jahr zu Jahr mit dem Bevölkerungswachstum zu. Die Interna-tionale Energie-Agentur rechnet in ihrem World Energy Outlook 1995 [Bundesministerium für Wirtschaft, 1998] mit einer Zunahme des Verbrauchs an Erdöl, Kohle und Erdgas um insgesamt mehr als ein Drittel bis zum Jahre 2010. In Anbetracht des steigenden Verbrauches und der geringer werdenden Energiereserven sollte Mineralöl nicht verschwendet werden, sondern nur dort zum Einsatz kommen, wo es tatsächlich erforderlich ist. 3. Flüssiggas 3.1 Entwicklung der LPG-Fahrzeug-Technik Tab. 2: Fahrzeug- und Tankstellen-Entwicklung Jahr Fahrzeuge (Anteil bzw. Anzahl) Tankstellen (Anzahl) 1997 Niederlande 9% Polen 9% Italien 5% weltweit 22.000 1998 USA 350.000 Niederlande 2.000 Italien 1.830 Frankreich 800 Deutschland 120 1999 weltweit 4 Mio. in Deutschland 3.500 Niederlande 2.400 USA 10.000 2000 - Deutschland 160* *: im Vergleich zu 17.000 konventionellen Tankstellen 3.2 Eigenschaften von LPG 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 (Propylen): C3H6 (mit C-Doppelbindung) Butan: C4H10 Buten (Butylen): C4H8 (mit C-Doppelbindung) Propan und Butan sind kettenförmige, gesättigte Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Die ungesättigten Kohlenwasserstoffe Propen und Buten weisen eine KohlenstoffDoppelbindung 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. Ge-gebenenfalls 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] 3.3 LPG-Bestandteil Propan · farbund geruchlos · ungiftig; wirkt in hohen Dosen leicht narkotisierend · flüssiges Propan kann wegen der hohen Verdampfungskälte auf der Haut Erfrierungen hervorrufen. Tab. 3: 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 3.4 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. 4: 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 Druc 38,1bar 3.5 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/LuftGemischen 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 enthalte-ne 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. 5). Tab. 5: 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 gegen-über Diesel- oder Benzinkraftstoffen. Die Dichte sowie der volumenspezifische Heizwert von Flüssiggas erreichen knapp drei Viertel von vergleichbarem Kraftstoff für Otto-Motoren (Benzin). Tab.: 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 Sauer-stoff bzw. der Umgebungsluft vermischen. Ein zündfähiges Gemisch liegt nur dann vor, wenn sich das Verhältnis von Kraftstoff und Luft innerhalb bestimmter Grenzen, den sogenannten Zündgren-zen, befindet. Tab. 7: 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. 4. Vergleich mit anderen Kraftstoffen 4.1 Limitierte Emissionen Bei den sogenannten limitierten Emissionen handelt es sich um SchadstoffEmissionen, 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 NOxEmissionen, 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. 8: 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. 9). Als Bezugsgröße wurde bei dieser Studie ein benzinbetriebener Otto-Motor mit Katalysator gewählt. Tab. 9: Vergleich verschiedener Energieträger LPG CNG Benzin Wassermit Diesel Biodiesel Pflanzenöl mit Batterie mit Kat. stoff Kat. Kat. 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 SchadstoffEmissionen: + 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] 4.2 Nichtlimitierte Emissionen Neben den limitierten Schadstoffen (CO, HC, NOX, Partikel) gibt es sogenannte nichtlimitierte Schadstoffe (z. B. SOX, NO2, Benzol, Formaldehyd usw., s. Tab. 10), die bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen. Tab 10: Umwelteinflüsse von Benzin, Diesel, Erdgas und Flüssiggas I. Direktes Gefährdungspotential Benzin Flüssiggas Erdgas Diesel CO 0 0/+ ++ + NO2 0 0 + -- Partikel 0/+ + 0 --/- niederwertige Aldehyde* 0 0 +/++ --/- gesamt 0 0/+ + - II. Langzeitgefährdung Benzin Flüssiggas Erdgas Diesel PAH (polynukleare, aromatische HC) 0 + + - BTX (Benzol, Toluol, Xylol) - 0 0 0 niederwertige Aldehyde* 0 0 + - gesamt 0 0/+ + -/0 III. Regionale und globale Benzin Effekte 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.. 4.3 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 OttoMotor 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 Leerlaufbzw. Warmlaufphase von 40 Sekunden zwischen Start und Testbeginn liegt. Die COEmissionen 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] 4.4 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 FlüssiggasBetankung. 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. 4.5 Kosten Der Verkaufspreis an den öffentlichen Tankstellen beläuft sich für einen Liter Flüssiggas in Deutschland auf 0,80 DM bis 1,20 DM, in den Niederlanden auf 0,50 DM bis 0,70 DM und in Frankreich auf 0,60 DM bis 0,80 DM. Im Zuge der ersten Stufe der ökologischen Steuerreform ab 1. April 1999 wurde die Mineralölsteuer generell angehoben. Trotz dieser generellen Verteuerung gilt für Flüssiggas als Kraftstoff ein verminderter Mineralölsteuersatz. Seit Anfang diesen Jahres ist eine Bevorzugung gegenüber Benzin und Diesel für zehn Jahre (bis Ende 2009) festgeschrieben. Die beiden folgenden Tabellen (s. Tab. 11 und Tab. 12) zeigen die Begünstigung von Flüssiggas im Vergleich zum Jahr 1998 sowie die Anhebung des Steuersatzes für Benzin und Diesel. Tab. 11: Besteuerung pro Liter Kraftstoffen im Jahr 1998 Benzin 0,98 DM Diesel 0,62 DM Flüssiggas 0,61 DM* *:pro kg [Breitfeld, J., 1998] Tab. 12: Besteuerung pro Liter Kraftstoffen ab dem 1.1.2000 Benzin 1,10 DM Diesel 0,74 DM Flüssiggas 0,24 DM* *:pro kg [Mineralölwirtschaftsverband, 2000] Einen wesentlichen Kostenfaktor stellt die Lebensdauer der unterschiedlichen Fahrzeug-Komponenten dar. Der National Propane Gas Association zufolge leben die Motoren zwei- bis dreimal so lange wie Benzin-Motoren. Dies kommt unter anderem dadurch, daß im Vergleich zu Benzin-Motoren weniger aggressive Säuren und Kohlenstoffablagerungen vorhanden sind, das Öl nicht so stark verwässert und der Druckanstieg in der Brennkammer nicht so steil verläuft. [U.S. DOE, 1998] In bezug auf die Haltbarkeit von Zündkerzen gibt es unterschiedliche Angaben. Von Seiten eines qualifizierten Autogas-Umrüsters heißt es dazu: Das Auswechseln von Zündkerzen vor der vom Fahrzeughersteller empfohlenen Kilometerleistung ist nur bei Fahrzeuge erforderlich, die mit einer Venturianlage ausgerüstet sind. Bei diesen meist älteren Fahrzeugen ist der vorzeitige Wechsel notwendig, um die Gefahr des Backfire zu verringern. Bei Fahrzeuge, die mit neueren, so genannten Gaseinspritzsystemen ausgerüstet sind, besteht keine Gefahr des Backfireing und ein vorzeitiges Austauschen der Zündkerzen ist daher, im Regelfall, nicht erforderlich. Da Flüssiggas aber nicht so zündfreudig wie Benzin ist, kann es vorkommen, dass es durch den normalen Verschleiß der Zündkerzen im Flüssiggasbetrieb eher zu Zündaussetzern kommt als im Benzinbetrieb. In diesem eher seltenen Fall müssten die Zündkerzen gegebenenfalls früher ausgewechselt werden. Die Umrüstkosten eines Otto-Motors auf Flüssiggas betragen je nach Fahrzeugtyp und Gasanlage bis zu 4.000,- DM (inkl. MwSt.). Bei Bussen und Lkw ist mit Investitionskosten zwischen 30.000,- und 50.000,- DM zu rechnen. Die Preise sind unter anderem vom Fahrzeug- und Anlagentyp, von der technischen Ausstattung und von der Tankgröße abhängig. Bei Erdgas-Pkw betragen die Kosten vergleichsweise 6.000,- DM bis 8.000,- DM. Die Kosten für eine Einzeltankstelle liegen bei etwa 40.000,- DM bzw. für eine Großtankstelle bei etwa 300.000,- DM. Erdgastankstellen sind im Vergleich dazu wegen des höheren Drucks drei- bis fünfmal so teuer. Eine pauschale Abschätzung unter diesen Rahmenbedingungen zeigt, daß die Amortisations-grenze bei der Pkw-Umrüstung bei etwa 50.000 bis 60.000 km Gesamtfahrleistung liegt. 4.6 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 ErdgasFahrzeugen. 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. 5. Gaszufuhr in Fahrzeug-Ottomotoren 5.1 Speicherung und Betankung 5.1.1 Fahrzeugtanks Bei den Eigenschaften von LPG (s. Kap. 4.2) wurde bereits darauf eingegangen, daß Flüssiggas lediglich bei einem gewissen Druck flüssig ist und unter Normalbedingungen (Umgebungstemperatur, Atmosphärendruck) gasförmig vorliegt. Aus diesem Grund weisen die LPG-Tanks erheb-liche Unterschiede zu den Tanks von Benzin- oder Dieselfahrzeugen auf. Bei den Flüssiggas-Tanks für Pkw handelt es sich meist um zylindrische Behälter, in denen ein maximaler Betriebsdruck von 30 bar herrscht. Wegen des relativ geringen Drucks im Vergleich zum Erdgas-Tank (200 bar), kann die Tank-Geometrie relativ flexibel gestaltet werden. Im allgemeinen werden die Tanks im Kofferraum oder anstelle der Rücksitzbank montiert. Aus Gründen des geringeren Platzbedarfs gibt es auf Wunsch sogenannte Muldentanks. Hierbei handelt es sich um Tanks, die anstelle des Reserverades in der Kofferraummulde eingebaut werden. Nachteilig bei dieser Variante ist jedoch das geringe Speichervolumen, wodurch die Reichweite der Fahrzeuge reduziert wird. Außerdem muß in diesem Fall das Reserverad anderweitig untergebracht werden. Jeder Tank muß bestimmte Sicherheitsanforderungen erfüllen (internationale Transportvorschriften). Die Behälter werden einem Prüfüberdruck von 30 bar ausgesetzt. Seit 1984 werden Tanks mit einer Füllbegrenzungseinrichtung versehen, damit sie maximal auf 80 % des Volumens befüllt werden können. Der restliche zur Verfügung stehende Raum ist notwendig, damit sich das Flüssiggas im Falle einer Erwärmung ausdehnen kann, ohne daß im Behälter Flüssigkeitsdruck auftritt. Flüssiggas-Anlagen in Pkw sind in sich geschlossene Drucksysteme. In ordnungsgemäß installierten Tanksystemen kann sich demnach durch das Fehlen von Luft kein brennbares oder explosionsfähiges Gas/Luft-Gemisch bilden. Die Tanks verfügen über ein Absperrventil, womit sie bei Bedarf (z. B. bei Wartungsarbeiten oder bei Gasverlust) geschlossen werden können. Bei einer Beschädigung des Leitungssystems verhindert ein Durchflußmengenbegrenzer die sofortige Entleerung der Gastanks. Eine Schmelzlotsicherung stellt eine Druckentlastung im Brandfall sicher. Falls Gas durch ein Sicherheitsventil oder ein Leck entweichen sollte, expandiert es und kühlt sich dabei stark ab. Da dabei der Umgebung Wärme entzogen wird, kann es zu Vereisungen der Materialien kommen bzw. bei Hautkontakt zu "Kälteverbrennungen" oder Erfrierungen. Generell gibt es bei der Speicherung erhebliche Unterschiede zwischen gasförmigen, flüssigen und festen Kraftstoffen. In der Abbildung 9 ist ein Vergleich mehrerer Stoffe zu sehen. Als Bezugsgröße wurde ein Benzinäquivalent von 55 Litern gewählt und alle anderen Speicherungsarten wurden dementsprechend umgerechnet. Demnach ist Diesel die kompakteste Speicherungsvariante. Diesel speichert auf geringstem Raum und bei geringster Masse am meisten Energie. Flüssiggas hat zwar einen relativ hohen gewichtspezifischen Heizwert (s. Kap. 4.5 Brenneigenschaften, Tab. 5). Die Energiedichte des LPG/Luft-Gemisches liegt jedoch 2 % niedriger als die eines Benzin/Luft-Gemisches. Hinsichtlich des Raumbedarfs und der Masse liegt LPG weit vor anderen gasförmigen Kraftstoffen und Methanol. Abb. 9: Volumen bzw. Gewicht unterschiedlicher Kraftstoffe [Steiger, W., 1998] 5.1.2 Betankung an Tankstellen Die Speicherung von Flüssiggas an Tankstellen oder bei Gasversorgungsunternehmen wird in großen stationären Tanks vorgenommen. Eine Versorgung mit Flüssiggas über ein Pipeline-Netz gibt es nicht. Zur Betankung der Fahrzeuge gibt es spezielle Tankstutzen (s. Abb. 10). Diese Stutzen unterscheiden sich von den Erdgas-Stutzen, so daß ein Flüssiggas-Fahrzeug nicht versehentlich dem sehr viel höheren Druck einer Erdgas-Tankstelle (200 bar) ausgesetzt werden kann. Abb. 10: Betankung eines LPG-Pkws An Flüssiggas-Tankstellen ist eine Schnellbetankung innerhalb von drei bis vier Minuten möglich. Nach Angaben des deutschen Flüssiggas-Verbandes gibt es mittlerweile in Deutschland 160 öffentliche Tankstellen. In der Praxis sieht es so aus, daß zur Betankung zum Teil spezielle Tankkarten benötigt werden oder die Öffnungszeiten der Tankstellen auf bestimmte Zeit eingeschränkt sind. Bei der Speicherung von Butan gibt es wegen des hohen Siedepunktes (TS = -0,5 °C) eine Besonderheit. Bei niedrigeren Temperaturen entsteht in den Tanks ein Unterdruck (pDampf = 0,51 bar bei T = -20 °C). Weil der Unterdruck die Kraftstoffentnahme erschwert, wird der Druck im Tank erhöht, indem Stickstoff zugegeben wird. Da Stickstoff ein Inertgas ist, kommt es zu keiner Reaktion oder Vermischungen der unterschiedlichen Substanzen. Statt dessen bildet sich ein sogenanntes Stickstoffpolster, daß auch bei geringen Temperaturen für ausreichend Druck sorgt. 5.2 Flüssiggas-Systeme 5.2.1 Die erste Generation Wird von Flüssiggas-Motoren gesprochen, handelt es sich meist um umgerüstete Otto-Motoren. Bei der Umrüstung bleibt der Motor selber weitestgehend unverändert. Es werden lediglich einige zusätzliche Komponenten eingebaut. In Diesel-Motoren kann lediglich ein gewisser Prozentsatz des Kraftstoffes (ca. 35 %) durch Flüssiggas ersetzt werden. Für den Betrieb mit reinem Flüssiggas ist jedoch eine Fremdzündung zur Entzündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches notwendig, wie sie in einem OttoMotor verwendet wird. Die LPG-Systeme, wie sie zur Zeit genutzt werden, existieren mittlerweile in der fünften Generation. Die erste und einfachste Generation wird immer noch in Ländern genutzt, die keine strikten Emissionsgrenzwerte haben. Zu diesen Ländern gehören beispielsweise Indonesien, die frühere Sowjetunion sowie einige Länder Afrikas und des Mittleren Ostens. Das abgebildete System (s. Abb. 11) von Impco (USA) wird zur Zeit noch in Gabelstaplern und Industriemaschinen weltweit benutzt. Es gab weitere Systeme, die alle ähnlich aufgebaut waren, z. B. von Landi Renzo, Lovato, Bedini und Tartarini (alle aus Italien). Abb. 11: Mechanisches LPG-System von Impco [Hollemans, B., 1999] 1) LPG-Tank 2) Hydrostatisches Abblas-Ventil 3) Kraftstoffilter 4) Umformer 5) Luftfilter 6) Vergaser a) Füllanschluß b) Dampfrückström-Ventil c) Sicherheitsventil e) Abblas-Ventil f) Abblas-Leitung nach außen g) LPG-Ventil h) Hochdruck-Schlauch k) Tankanzeige l) Verbindung zum Mixer m) Ein- und Auslaß für Wasser s) Ausgleichsverbindung t) Befestigungsschraube 5.2.2 Die zweite Generation Moderne Elektronik kann dabei helfen, auftretende Unzulänglichkeiten der mechanischen Systeme zu überwinden. Aus diesem Grund wurde das Basismodell in der zweiten Generation um elektronische Komponenten erweitert. Die Dosierung der Gasmenge wird zwar noch durch den Druckregler und die Mischeinheit übernommen, diese werden nun jedoch elektronisch überwacht. Dadurch wird der Einsatz von Drei-Wege-Katalysatoren mit Lambdasonden-Regelung ermöglicht. Als Beispiel der zweiten Generation dient das Prinzip von Necam (Niederlande) (s. Abb. 12). Es handelt sich hierbei um ein System mit Venturidüse und Drosselklappe. Durch den erhöhten Strömungswiderstand (Unterdruck) infolge der Querschnittreduzierung im Ansaugtrakt tritt ein gewisser Wirkungsgradverlust auf. Im Gegensatz zu anderen Herstellern platziert Necam die Mischeinheit nicht oberhalb, sondern unterhalb der Drosselklappe. Da Flüssiggas schwerer als Luft ist, läßt sich die Kraftstoffmenge dadurch besser dosieren. Abb. 12: Necam-Flüssiggassystem Mirkoprozessor gesteuert [Hollemans, B., 1999] Seit 1995 gibt es Systeme, die sich selber regulieren. Es wurden elektronische Einheiten konzipiert, die lernfähig sind, wodurch das manuelle Einstellen entfällt. Unterschiedliche Propan/Butan-Zusammensetzungen können dadurch in gewissen Grenzen erkannt und ohne Nachregulieren betrieben werden. 5.2.3 Die dritte Generation Bei der dritten System-Generation handelt es sich um die sogenannte "Single-PointEinspritzung". Dieses System (GFI-II) hat sehr stark in den USA Verbreitung gefunden. Da es sehr kompliziert und störanfällig ist, wurde es durch die Multi-PointEinspritzung (s. Kap. 6.2.4) ersetzt. Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Systemen ist, daß bei der Mulit-Point-Einspritzung an mehreren Stellen statt nur an einer Stelle eingespritzt wird. 5.2.4 MEGI/MEGA-System Das MEGI-System (Multi Point Electronic Gas Injection), auch MEGA genannt, wurde von Koltec und Necam gemeinsam mit TNO (alle Niederlande) entwickelt (s. Abb. 13). Flüssiggas wird hierbei gasförmig in ein zentrales Mischsystem eingeblasen. Die Gefahr des Rückzündens ("backfiring") und seine Folgen sind weitestgehend unterbunden. Ansonsten bestünde die Gefahr, daß das Benzin-Einspritzsystem und der Ansaugtrakt beschädigt werden könnten. Weitere Vorteile dieser vierten Generation gegenüber den Vorgänger-Modellen sind eine exaktere Kraftstoff-Dosierung, weniger Schadstoffe und eine höhere Zuverlässigkeit. Da die Einspritzsysteme keine Verengung im Ansaugrohr aufweisen, entfällt der damit verbundene Wirkungsgradverlust. Diagnosegeber Service LED Betriebsartwahlschalter Benzin unterbrechung MAP - Sensor Mikro prozessor G B Füllanschluß Elektromagnetisches Steuerventil WASSER Gasdosiereinheit Einblasventil Filter Elektromagnetisches Hauptabsperrventil Luftfilter Verdampfer MEGA Füllstandanzeiger Füllmengenbegrenzer LPG Tank Lambdasonde Drosselklappe Durchfluß begrenzungsventil Abb. 13: Multi Point Electronic Gas Injection [IAV, 1999] Bei diesem System gelangt das Flüssiggas vom Tank in den Druckregler, wo es in zwei Stufen entspannt wird. Der Tankdruck von 8 bar wird in der ersten Stufe im Verdampfer auf ca. 1,4 bar und dann in der zweiten Stufe auf 0,96 bar vermindert. Diese Drücke sind einstellbar. Der Druckregler wird über das Kühlwasser des Motors beheizt, da sich das Gas beim Entspannen stark abkühlt und die Zuleitung auf Dauer vereisen könnte. Vom Verdampfer gelangt das Gas durch den Gasfilter zum Verteiler (Gasdosiereinheit), der die einzelnen Zylinder mit der richtigen Gasmenge versorgt. Die passiven Einblasdüsen sitzen direkt vor dem Einlaßventil am Saugrohr. Das Gas wird gemäß dem kontinuierlichen Einspritzprinzip kontinuierlich im Saugrohr zugeführt. Da die Vermischung mit der Verbrennungsluft erst kurz vor der Brennkammer geschieht, entfällt das Risiko der Rückzündung. Die wichtigsten Signale für den Mikroprozessor im Steuergerät stellen die Drehzahl und der absolute Druck im Ansaugrohr (MAP = Manifold Absolute Pressure = absoluter Ladedruck) dar. Der MAP-Sensor ist im Motorraum installiert. Weitere Signale betreffen die Drosselklappenstellung sowie den Lambda-Wert. Das wichtigste Ausgangssignal des Steuergerätes stellt das Signal für den Schrittmotor des Verteilers dar, weil darüber die korrekte Menge des zugeführten Gases geregelt wird. Da dieses System über ein unabhängiges Motormanagement-System mit eigenem Steuergerät (ECU = Electronic Control Unit) verfügt, kann es auch für monovalente Fahrzeuge genutzt werden. Das System ist selbstregulierend und verfügt darüber hinaus über eine Lernfunktion. Sonstige Einstellmöglichkeiten sind nicht notwendig. Im Steuergerät sind sogenannte Kennfelder abgespeichert. Für nahezu alle Lastzustände existieren Daten über die jeweiligen Betriebszustände. So kann die Gemischzusammensetzung reguliert und korrigiert werden, bevor sich die Abgaswerte verschlechtern. Gestartet wird der Motor bei bivalentem Betrieb immer mit Benzin. Nach einigen Sekunden findet dann der mikroprozessorgesteuerte, kaum merkliche Wechsel auf LPG statt. Mit dem extra am Armaturenbrett eingebauten Schalter läßt sich während der Fahrt problemlos zwischen Benzin und Gas umstellen. Wenn der Gastank leergefahren ist, verschlechtert sich die Verbrennung, wodurch der Katalysator beschädigt werden könnte. Um dies zu vermeiden, schaltet das System bei einer verminderten Gaszufuhr automatisch auf Benzinbetrieb um. 5.2.5 Sequentielles zylinderselektives System Dieses System der fünften Generation baut auf dem MEGA-System auf. Anstelle des Verteilers mit Schrittmotor gibt es in diesem Fall eine Einspritzleiste (ähnlich einer common rail). Von dieser Leiste gehen Schläuche zu den Einblasdüsen, die aktiv vom Steuergerät angesteuert werden. Das Steuergerät sendet so viele Signale aus, wie der Motor Zylinder hat, an die dementsprechenden Einblasdüsen. Das bedeutet, daß jeder Zylinder individuell mit Gas versorgt wird. Dieses System hat gegenüber dem kontinuierlichen MEGA-System folgende Vorteile: § jeder Zylinder erhält seine eigene Ration Kraftstoff, § die Gasmenge wird schneller und genauer dosiert, § das Gemisch ist homogener, § die Leistung und das Drehmoment sind höher, § der Verbrauch und die Emissionen sind geringer. Diagnose Funktions - LED GasSteuergerät Kraftstoffumschalter G MAP - Sensor B Gas-Rail Temperatursensor Kühlwasser Drucksensor NW-Sensor Klopfsensor Hochdruckregler CNG Tank Kurbelwellensensor ECU Manometer CNG Tank Absperrventil Lambdasonde Befüllanschluß Abb. 14: sequentielles zylinderselektives System [IAV, 1999] 5.2.6 Hochdruck-Direkteinspritzung Die sechste Generation existiert bis jetzt noch nicht. Für die Zukunft ist jedoch ein System geplant, bei dem der Kraftstoff ähnlich wie beim Dieselmotor mit Hochdruck direkt in die Brennkammer eingeblasen wird. Momentan wird noch an den direkteinspritzenden Systemen für Otto-Motoren gearbeitet. Sobald diese Technik ausgereift ist, kann sie modifiziert auch bei Flüssiggas-Fahrzeugen zum Einsatz kommen. 5.2.7 LPI-System LPI steht für Liquid Propane Injection (Flüssigpropan-Einspritzung) und ist von der Firma Vialle aus den Niederlanden entwickelt worden. Es unterscheidet sich grundlegend von den Verfahren aller anderen LPG-Teile-Produzenten, die alle auf die Einspritzung von Flüssiggas im gasförmigen Aggregatzustand setzen. Genau wie im Benzin-Betrieb wird hierbei jedoch flüssiger Kraftstoff eingespritzt. Ursprünglich (1993) war dieses Verfahren als Single-Point-Einspritzung konzipiert worden, ist jedoch wegen der geringeren Rückzündungsgefahr auf die Multi-PointVariante umgebaut worden. Abb. 15: LPI-System von Vialle [Vialle, 2000] Die im Tank befindliche Pumpe setzt den Kraftstoff unter Druck, damit der nicht verdampft. Ansonsten könnte es in der Leitung an heißen Stellen im Motorraum zur Gasblasenbildung kommen. Dies wiederum würde beim Einspritzvorgang zum Druckverlust führen. Um die Blasenbildung zu vermeiden, muß ein ausreichend hohes Druckniveau vorliegen. In der Rückströmleitung befindet sich deswegen ein Druckregler, der den Druck immer mindestens 5 bar über dem aktuellen Tankdruck (8 bar bei 25 °C) hält. Die LPG-Einspritzdüsen sitzen direkt vor den Einlaßventilen, wo das Flüssiggas während des Einlaßtaktes sequentiell bei jedem einzelnen Zylinder eingespritzt wird. Der flüssige Kraftstoff verdampft bei der Einspritzung sofort und kühlt sich und die angesaugte Luft ab. Durch die Abkühlung der angesaugten Luft erhöht sich dessen Dichte. Dies bewirkt eine bessere Füllung der Brennkammer und dadurch eine höhere Leistungsfähigkeit, die um ca. 3 % höher liegen soll als die von Benzin. [Sykes, 1999] Die Signale für die Einspritzung kommen vom Benzin-Steuergerät, gehen als Input ins LPG-Steuergerät und werden weiter an die Düsen geleitet. Die Ansteuerung über das Benzin-Steuergerät ist möglich, da die LPG- und die Benzin-Einspritzdüsen ähnliche Charakteristika aufweisen. Das Lambdasonden-Signal wird nur an das Benzin-Steuergerät geleitet. Das bedeutet, daß dies die Grunddaten und meisten Berechnungen vorgibt. Für das LPG-Steuergerät bleibt der Druck des Flüssiggases als wichtigster Parameter. Das System ist ausgelegt für Umgebungstemperaturen von -25 °C bis + 70 °C. Ein beheizter Verdampfer ist deswegen überflüssig. Die Vorteile dieses Systems sind laut Vialle, daß kein Unterschied zwischen LPGund Benzin-Betrieb bemerkbar ist, keine Leistungseinbußen auftreten, keine Einstellungen notwendig sind, keine Rückzündungsgefahr besteht und keine Einflußmöglichkeiten seitens der Umgebungsfaktoren (Temperatur, Feuchtigkeit) zu befürchten sind. [Vialle, 2000], [Hollemans, B., 1999] 6. Flüssiggas-Fahrzeuge Fahrzeuge mit Flüssiggas-Anlagen werden mittlerweile von fast allen AutomobilHerstellern angeboten. In autorisierten Fachwerkstätten können die Fahrzeuge umgebaut werden und erhalten vom TÜV die erforderliche Betriebserlaubnis. Besonders wirtschaftlich sind LPG-Fahrzeuge bei hohen jährlichen Fahrleistungen, z. B. bei Taxiunternehmen, Firmenfahrzeugen (Außen- und Kundendienst) und kommunalen Betrieben (Stadtwerke, Müll-Betriebe). Bei der Umrüstung von Pkw und Nutzfahrzeugen wird meistens ein bivalenter Antrieb gewählt. Bivalente LPG-Fahrzeuge bieten die Option, mit Benzin oder Flüssiggas zu fahren. Da der Flüssiggas-Tank zusätzlich zum Benzin-Tank eingebaut wird, vergrößert sich die Reichweite des Fahrzeugs erheblich. Die Motoren sind in diesem Fall für den Benzinbetrieb optimiert. Da die Oktanzahl von Benzin (ROZ=94 - 99) niedriger liegt als die von Flüssiggas (ROZ = 107), liegt auch die Klopfgrenze dementsprechend niedriger. Deswegen können die Motoren nur mit einer relativ geringen Verdichtung von e = 9-10 betrieben werden. Die höhere Oktanzahl von Flüssiggas im Vergleich zu Benzin kann dadurch nicht voll ausgenutzt werden. Bei monovalenten LPG-Fahrzeugen, die für den Flüssiggasbetrieb optimiert sind, kann die höhere Oktanzahl ausgenutzt werden, wodurch die Leistungsausbeute gesteigert wird. Da es jedoch bisher relativ wenige Tankstellen gibt, werden kaum monovalente Fahrzeuge angeboten bzw. gekauft. Es gäbe die Möglichkeit, Fahrzeuge für den LPG-Betrieb zu optimieren und lediglich für den Notfall eine Umschaltung auf Benzin vorzusehen. So könnten die Vorteile von Flüssiggas genutzt werden. Im Bedarfsfall könnte mit einer geringen Benzin-Reserve die nächstliegende Flüssiggastankstelle angesteuert werden, unter der Berücksichtigung, daß die Klopfgefahr in diesem Fall steigt. Eine ähnlich hohe Verdichtung wie bei Diesel-Motoren (e = 18) ist bei optimierten LPG-Motoren nicht möglich. Aber eine Erhöhung auf e = 12-14 würde die Leistungsausbeute um einige Prozente anheben können. Bei der Zusammensetzung des Kraftstoffes für LPG-Fahrzeuge gibt es innerhalb von Europa Unterschiede. Die Mischungsverhältnisse reichen von 20 % Propan und 80 % Butan (in wärmeren Regionen Süd-Europas) bis zu 95 % Propan und 5 % Butan (in Nord-Europa). Bei der Wahl des Mischungsverhältnisses spielen zwei Faktoren eine Rolle. Butan weist zum einen eine höhere Dichte und damit einen höheren volumenspezifischen Heizwert als Propan auf. Butan hat jedoch zum anderen einen relativ hohen Siedepunkt (TS = - 0,5 °C). Der Zielkonflikt besteht bei diesen beiden Punkten darin, daß der Butan-Anteil aus Gründen der höheren Leistungsausbeute möglichst groß sein sollte. Bei geringeren Temperaturen, wie sie in Nord- und Mittel-Europa herrschen, sollte er jedoch möglichst gering sein. Wegen des niedrigeren Dampfdruckes von Butan im Vergleich zu Propan (TS = - 42 °C) kann es ansonsten bei einer Kondensation von Butan zu Startproblemen kommen. Zur Zeit wird lediglich der Betrieb mit gasförmigem Flüssiggas genutzt. Es existiert jedoch auch ein System für flüssiges LPG (s. Kap. 6.2.7 LPI-System). Dieses System hat den Vorteil, daß kaum Leistungs- und Komfort-Unterschiede zwischen LPG- und Benzin-Betrieb zu verzeichnen sind. Abb. 16: möglicher Aufbau eines LPG-Fahrzeugs [http://www.langegas.com] 7. Zusammenfassung Die Vorräte der fossilen Energieträger, die in ausreichendem Maße wirtschaftlich erschlossen werden können, werden innerhalb dieses Jahrhunderts zu Ende gehen. Es lassen sich kaum präzise Prognosen treffen, wann dies der Fall sein wird. Aber die Notwendigkeit der Suche nach Alternativen ist nicht zu verleugnen. Vor diesem Hintergrund bietet Flüssiggas eine Chance, zumindest in einigen Bereichen Mineralöl zu substituieren. Propan und Butan werden in Raffinerien und Industriebetrieben zum Teil noch abgefackelt und könnten statt dessen anstelle von Benzin oder Diesel in Fahrzeugantrieben sinnvoll genutzt werden. Die Technik für die Nutzung von Flüssiggas in Fahrzeugen ist vorhanden und wird seit mehreren Jahren erfolgreich angewandt. Flüssiggas-Systeme für FahrzeugAntriebe existieren mittlerweile in der fünften Generation und erfüllen zum Teil bereits die EURO 4-Norm. Im Vergleich zu Benzin- und Diesel-Antrieben bietet LPG eine Menge Vorteile. Dazu gehören z. B. die geringen Schadstoff-Emissionen sowie die geringen Kraftstoffkosten. Speziell bei der Infrastruktur sind jedoch erhebliche Defizite vorhanden. Das Tankstellennetz sowie der Reparatur- und Wartungs-Service befindet sich zwar im Aufbau, ist zur Zeit jedoch noch nicht ausreichend. Der Betrieb von Pkw oder leichten Nutzfahrzeugen im öffentlichen Straßenverkehr ist deswegen lediglich im bivalenten Betrieb ratsam. Der Betrieb von monovalenten Fahrzeugen bietet sich momentan nur für Flottenfahrzeuge im innerstädtischen Bereich bei begrenztem Aktionsradius an. In diesem Fall kann der Motor für LPG optimiert werden und bietet dann die gleiche Leistung und den gleichen Komfort wie ein Otto-Motor mit Benzin-Betrieb bei gleichzeitig weniger Schadstoff-Emissionen. Ein gut geeignetes Einsatzgebiete für monovalente LPG-Fahrzeuge ist die Flurförderung. Speziell Gabelstapler werden bereits zu einem nennenswerten Prozentsatz (20%) mit Flüssiggas betrieben. Sie bieten zum Teil ähnliche Vorteile wie Stapler mit Diesel-Motor und verbinden diese mit den positiven Seiten von Elektro-Staplern. Von Nachteil ist wie beim Diesel-Betrieb der relativ hohe Wartungsaufwand mit den damit verbundenen Kosten. 8. Literatur -Appel, H., Grundlagen der Kraftfahrzeugtechnik I, Inst. f. Fahrzeugtechnik, Sept. 1996, Berlin -Avramopoulos, I., Erdgas hat Vorfahrt, IAV GmbH, Berlin, Mai 1997 -Bach, C., Heeb, N., Mattrel, P., Mohr, M., Wirkungsorientierte Bewertung von Automobilabgasen, MTZ 59 (1998) 11/98, S. 716-722 -Basshuysen, R. v., Neue Gasmotoren-Baureihe, MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998), 7/8-98, S. 413 -Basshuysen, R. v., Zukunft Hubkolbenmotor, MTZ Motortechnische Zeitschrift 60 (1999), 12-99, S. 796 -Beitz, W., Küttner, K.-H., Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Auflage, Berlin, Springer-Verlag, 1990, S. D 9ff -Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, VDI-Verlag, 21. 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