[MINT] Die Emissions-Hysterie Industrie - Die Grundlagen 2019-05-17

Wegen der Debatte um die Emissionen von Verbrennungsmotoren wurden bereits Entscheidungen getroffen, wie zum Beispiel Fahrverbote. In Anbetracht dessen sollten immer auch die technischen Hintergründe und statistischen Entwicklungen beachtet werden.

Otto-Prozess
Diesel-Prozess
NOx-Ruß-Trade-Off und Katalysatoren
Epidemiologie
Feinstaub
NOx
SOx

Otto-Prozess

Der Otto-Prozess (Nicolaus August Otto 10. Juni 1832 - 26. Januar 1891) ist der thermodynamische Vergleichsprozess für Verbrennungsmotoren die mit einer Gleichraumverbrennung (isochore Verbrennung) arbeiten. Das Verfahren wurde in den Jahren 1861 bis 1876 von Otto entwickelt. In der Realität wird während der Kompression ein brennbares Gemisch verdichtet und elektrisch gezündet (Fremdzündung).

Vor der Benzindirekteinspritzung wurde das Drehmoment durch Drosseln des angesaugten Gemisches mit einer Drosselklappe eingestellt. Außerdem wurden Otto und Diesel anhand der äußeren Gemischbildung mittels Vergaser für Ottomotoren und innerer Gemischbildung bei Dieselmotoren unterschieden.

Die Verbrennung findet praktisch explosionsartig aber nicht bei gleichem Raum statt. Daher haben Otto-Motoren tendenziell geringere Wirkungsgrade als vergleichbare Diesel-Motoren. Mit der schnelleren Verbrennung bietet der Otto-Prozess damit schlechtere Bedingungen für die Bildung von Stickoxide (NOx) als der Diesel-Prozess. Der Otto-Motor kann nach dem Zweitakt- und nach dem Viertaktverfahren arbeiten.

Diesel-Prozess

Der Diesel-Prozess (Rudolf Christian Karl Diesel 18. März 1858 - 29. September 1913) ist der thermodynamische Vergleichsprozess für Verbrennungsmotoren die mit einer Gleichdruckverbrennung (isobare Verbrennung) arbeiten. Das Verfahren wurde im Jahr 1897 von Diesel erfolgreich durchgeführt. In der Realität wird während der Kompression Luft und nach der Einspritzung ein brennbares Gemisch verdichtet dass sich bei entsprechendem Druck von selbst zündet (Selbstzündung).

Da der Diesel ohne Fremdzündung arbeitet muss das brennbare Gemisch so hoch verdichtet werden, dass die Temperatur nach der Verdichtung die Zündtemperatur des Brennstoffs erreicht. Diese Zündtemperatur beträgt ungefähr 550°C bis 620°C.

Die Verbrennung findet praktisch explosionsartig aber langsamer als beim Otto-Motor und nicht bei gleichen Druck statt. Daher haben Diesel-Motoren tendenziell höhere Wirkungsgrade als vergleichbare Otto-Motoren. Mit der langsameren Verbrennung bietet der Diesel-Prozess damit bessere Bedingungen für die Bildung von Stickoxide (NOx) als der Otto-Prozess. Der Diesel-Motor kann nach dem Zweitakt- und nach dem Viertaktverfahren arbeiten.

NOx-Ruß-Trade-Off und Katalysatoren

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (CxHy) produziert unweigerlich Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) sind natürliche Verbrennungsprodukte. Je nach Kraftstoff, Prozess und Behandlung der Abgase entstehen schädliche Verbrennungsprodukte wie zum Beispiel Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CxHy) und feine Partikel. Letztere können in Form von Ruß (C) anfallen oder durch Agglomerieren anderer Reste wie zum Beispiel Stickoxide (NOx) entstehen.

Bei Otto-Motoren kann ein 3-Wege-Katalysator zur Abgasbehandlung verbaut werden. Hiermit werden schädliche Verbrennungsprodukte in natürliche Verbrennungsprodukte umgewandelt. Im 3-Wege-Katalysator werden Stickoxide (NOx) zu Stickstoff (N2) reduziert. Mit dem freigewordenen Sauerstoff (O2) werden dann Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO2) umgewandelt und Kohlenwasserstoffe (CxHy) zu Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) verbrannt.

Bei Diesel-Motoren hängen die Emissionen von der Fahrweise des Motors ab. Bei einem Luftmangel beziehungsweise einem fettem Gemisch produziert der Diesel mehr Ruß (C) und weniger Stickoxide (NOx). Und bei einem Luftüberschuss beziehungsweise einem mageren Gemisch produziert der Diesel weniger Ruß (C) und mehr Stickoxide (NOx). Diesel-Motoren werden in der Regel mit einem Luftüberschuss beziehungsweise einem mageren Gemisch betrieben, da wegen der Direkteinspritzung weniger Zeit für die Vermischung von Luft und Kraftstoff bleibt. So findet der Kraftstoff trotz der kurzen Zeit genügend Sauerstoff für die Verbrennung.

Deswegen kann bei Diesel-Motoren ein SCR-Katalysator (Selective-Catalytic-Reduction) zur Abgasbehandlung verbaut werden. Hierbei werden werden Stickoxide (NOx) mittels Ammoniak (NH3) zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) reduziert.

Da Ammoniak (NH3) ein aggressives Gas ist wird die wenige aggressive Flüssigkeit Diaminomethanal CO(NH2)2 (AdBlue, Diesel Exhaust Fluid) verwendet. In der Stadt stößt SCR-Katalysator (Selective-Catalytic-Reduction) jedoch an seine Grenzen da die für die Bildung von Ammoniak (NH3) notwendige Temperatur beim unterbrochenen Verkehr nicht immer erreicht wird. [Schreiner,p.30ff] [Merker, Teichmann,p.506ff] [Mollenhauer, Tschöke,p.672ff] [Pischinger, Klell, Sams,p.283ff]

Epidemiologie

Die Epidemiologie ist die Wissenschaft der Verbreitung, Ursachen und Folgen von gesundheitsbezogenen Zuständen in Bevölkerungen. Eine Methode ist der Vergleich von Gesundheitsschäden.

Schädliche Verbrennungsprodukte wie zum Beispiel Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CxHy) und feine Partikel wie zum Beispiel Ruß (C) sind gesundheitsschädlich. Einzig deswegen sterben Menschen jedoch nicht. Die Epidemiologie vergleicht also die Gesundheitsschäden mit einer äquivalenten Anzahl von Toten.

Die Ergebnisse können jedoch von verschiedenen Störfaktoren beeinflusst oder sogar überlagert werden. Bei der Bewertung von schädlichen Verbrennungsprodukten können andere Einflüsse wie zum Beispiel ein signifikant anderer Anteil von Rauchern oder Wetterbedingungen können die Häufigkeit von Krankheits- oder Todesfällen viel deutlicher beeinflussen als Unterschiede in der Luftqualität.

Feinstaub

Feinstaub (PM10, PM2,5) sind Partikel die bei der Klassierung mit einem Lufteinlass für einen aerodynamischen Durchmesser von 10 Mikrometer (PM10) beziehungsweise 2,5 Mikrometer (PM2,5) einem Abscheidegrad von 50% aufweisen. Der Abscheidegrad ist der Anteil der dispersen Phase (Feinstaub) einer bestimmten Korngröße (PM10, PM2,5) der abgeschieden wird. Das Gewicht und die Größe der Partikel gibt aber keinen Auskunft über dessen Zusammensetzung und folglich dessen Toxizität.

Feinstaub entsteht bei Verbrennungsvorgängen wie zum Beispiel bei Fahrzeugen und Heizungen, bei Bremsen- und Reifenabrieb, bei Bauarbeiten oder bei der Verarbeitung von Metall. In Deutschland sind die Feinstaub-Emissionen seit 1995 um 50% (PM2,5) beziehungsweise um 40% (PM10) gefallen. Die größten Emittenten von Feinstaub sind jedoch Industrieprozesse, Haushalte und Kleinverbraucher und nicht Fahrzeuge. [pm25] [pm25,alt] [pm10] [pm10,alt] [Merker, Teichmann,p.486ff] [Mollenhauer, Tschöke,p.465ff] [Pischinger, Klell, Sams,p.286ff]

NOx

Stickoxide (NOx) ist ein Sammelbegriff für verschieden gasförmige Verbindungen von Stickstoff (N) und Sauerstoff (O). Stickoxide (NOx) reizen und schädigen die Atemwege. Außerdem entsteht durch Stickoxide (NOx) Salpetersäure (HNO3) die zusätzlich die Umwelt belastet.

Stickoxide (NOx) entstehen hauptsächlich bei Verbrennungsvorgängen wie zum Beispiel bei Fahrzeugen und Heizungen. Besonders anfällig sind Diesel-Motoren, da diese wegen der modernen Direkteinspritzung mit einem Luftüberschuss betrieben.

In Deutschland sind die Stickoxid-Emissionen seit 1990 um 60% gefallen. Die größten Emittenten von Stickoxid sind Fahrzeuge. [NOx] [NOx,alt] [Schreiner,p.30ff] [Merker, Teichmann,p.495ff/506ff] [Mollenhauer, Tschöke,p.469ff/672ff] [Pischinger, Klell, Sams,p.283ff]

SOx

Schwefeloxide (SOx) ist ein Sammelbegriff für verschieden gasförmige Verbindungen von Schwefel (S) und Sauerstoff (O). Schwefeloxide (SOx) sind gesundheitsschädlich. Außerdem entsteht durch Schwefeloxide (SOx) Schwefelsäure (H2SO4) die zusätzlich die Umwelt belastet.

Schwefeloxide (SOx) entstehen bei der Verbrennung von schwefelhaltige Brennstoffen. Da zunehmend nicht schwefelhaltige Brennstoffe verwendet werden sind die Schwefeldioxid-Emissionen in Deutschland seit 1990 um 95% gefallen. [SOx] [SOx,alt] [Mollenhauer, Tschöke,p.86ff/401ff]

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