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Wie funktioniert ein Katalysator im Auto?

Über Autokatalysatoren wird wieder mehr geredet, seit bekannt wurde, dass »man« sie - Stichwort »Dieselgate« - bei Bedarf mehr oder weniger heimlich umgehen kann. Aber wie funktionieren die Abgasreiniger eigentlich?
Ein Auspuff produziert sichtbar AbgaseLaden...

Wenn wir aufs Gaspedal in unserem Auto drücken, verbrennt der Motor Kraftstoff, das Auto bewegt sich vorwärts. Benzin- und Dieselkraftstoffe bestehen aber aus Kohlenwasserstoffen: Nach der Verbrennung bleiben Abgase aus Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen übrig – und somit Gase, die für die Umwelt und Menschen giftig sind. Unter anderem die EU hat daher Grenzwerte für Höchstmengen festgelegt, die noch aus dem Auspuff kommen dürfen, und Hersteller müssen diese Werte einhalten.

Erreicht werden kann das durch den Einsatz des Katalysators, der zwischen Motor und Auspuff montiert wird – wenn er dort dann tatsächlich auch arbeitet, wie er sollte. Im Herbst 2015 wurde unter dem Stichwort »Dieselgate« bekannt, dass verschiedene Autohersteller, unter anderem Volkswagen, Abgastests manipulierten. In mehreren Autofabriken ließen sie die Autos unter unrealistischen Bedingungen laufen, um die Kosten für moderne Abgassysteme zu sparen. Auf der Straße setzen Katalysatoren die Abgase dann allerdings weniger effektiv um: Die Autos stoßen mehr Schadstoffe aus als im Testlauf.

Wie genau werden Abgase gereinigt? Und wie gut sind die heutigen Katalysatoren wirklich?

Abgasreinigende Katalysatoren arbeiten im Auto im Prinzip genauso wie in vielen Prozessen der chemischen Industrie, aus der sie kaum wegzudenken sind: als Reaktionsbeschleuniger, weil mit ihnen chemische Reaktionen rascher ablaufen. Sie helfen Molekülen, sich in ihre Bestandteile, also Atome, zu zerlegen und sich anschließend anders zusammenzusetzen. Ein Katalysator kann dabei den ersten Schritt beschleunigen, indem er den Molekülen eine Oberfläche anbietet, an der sie sich einfacher aufspalten können. Die Oberfläche begünstigt auch den zweiten Schritt: Die Atome oder Molekülreste finden an ihr leichter zueinander als in einem Gasgemisch ohne die Katalysatoroberflächen.

Autokatalysatoren befinden sich meistens unter dem Fahrzeug in einem Metallgehäuse. Daran ist ein Rohr, der Auspuff, gekoppelt. In der Metallbox sitzt ein ovaler Keramikblock, der aus vielen viereckigen Tunneln besteht. Das aktive Katalysatormaterial – häufig Partikel aus Platin, Palladium oder anderen Edelmetallen – klebt an den Wänden, Ecken und Kanten der Tunnel. Ist das Auto in Gang, strömen die Motorabgase durch die Tunnel. So kommen auf kleinem Raum viele Abgasmoleküle in Kontakt mit dem Katalysator.

Was unterscheidet Katalysatoren in Benzin- und Dieselauto?

Wie genau die Katalysatoren die Abgase aufreinigen, hängt davon ab, ob das Auto Benzin oder Diesel tankt. In den Katalysatoren von Benzinautos geschehen drei Reaktionen gleichzeitig. Man nennt sie deshalb Drei-Wege-Katalysator. Ein Teil des Kohlenmonoxids und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe reagieren jeweils mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO2). Der übrige Rest des CO reduziert die vorhandenen Stickoxide zu Stickstoff (N2).

Bei Dieselautos funktioniert dieses Drei-Wege-Prinzip nicht. Das liegt daran, dass Dieselmotoren am effizientesten funktionieren, wenn dem Kraftstoff viel Luft beigemischt wird. Die Sauerstoffkonzentration im Abgas ist dann so groß, dass CO vollständig zu CO2 reagiert, bevor es die NOx-Gase reduzieren kann.

Stattdessen sind in Autos mit Dieselmotor spezielle Zwei-Wege-Katalysatoren verbaut. Sie widmen sich nur den zwei Oxidationsreaktionen, also der Umsetzung von CO und von Kohlenwasserstoffen zu CO2. Das bedeutet, dass die Stickoxide unverändert durch den Auspuff in die Umwelt gelangen. Allerdings entstehen in Dieselautos weniger NOx-Gase, weil die Motoren weniger heiß sind. Es gibt auch spezielle Techniken, die zusätzlich zum Oxidationskatalysator eingebaut werden können, um die Stickoxide aufzureinigen. Diese kommen bei Lastwagen zum Einsatz, seit der Dieselaffäre aber auch vermehrt bei Personenwagen.

Es gibt etwa NOx-Speicherkatalysatoren, die die Stickoxide auffangen und als eine andere Stickstoffverbindung speichern. Ungefähr einmal pro Minute wird dem Abgas der Sauerstoff entzogen. Ohne Sauerstoff können CO und die Kohlenwasserstoffe nicht mehr zu CO2 reagieren. Genau dann werden die Stickstoffverbindungen aus dem Speicherkatalysator freigesetzt und reduziert.

Eine andere Technologie, um die NOx-Gase zu reduzieren, ist die so genannte selektive katalytische Reduktion. Dabei ist hinter dem Oxidationskatalysator ein zweiter Reaktionsbeschleuniger angebracht. Bevor die Abgase in diesen Reduktionkatalysator strömen, wird ihnen etwas Harnstofflösung beigemischt. Die Lösung wird in einem zusätzlichen Tank an Bord des Autos oder LKWs transportiert. Man kann sie im Handel unter dem Namen AdBlue oder AUS 32 kaufen.

Die Stickstoffgase werden dann reduziert: Zunächst zerfällt der Harnstoff in Ammoniak (NH3), welcher dann NOx zu elementarem Stickstoff reduziert. Statt eines Katalysators aus Edelmetallen funktionieren für diese Reaktion Zeolithe gut. Das sind Materialien mit einer sehr porösen Struktur. Für die Abgasreinigung bringt man Metallatome, zum Beispiel von Kupfer, in die Zeolithe ein.

Und noch etwas ist im Diesel-Abgas anders als dem des Benziners: Es enthält einen recht hohen Anteil an kleinen Kohlenstoffpartikeln – dem Feinstaub. Dieser kann sich in der Lunge absetzen und zu Atemwegserkrankungen führen. Daher enthalten die Katalysatoren in Dieselfahrzeugen zusätzlichen einen Partikelfilter.

Wie effektiv sind Katalysatoren?

Katalysatoren helfen Abgase sauberer zu machen. Sie können die Gifte allerdings nicht vollständig beseitigen. Katalysatormaterialien funktionieren erst ab hohen Temperaturen, ungefähr ab 300 Grad Celsius. Wenn man das Auto gerade erst startet, sind die Katalysatoren noch kalt, und die Abgase werden nicht bereinigt. Erst nachdem der Motor warmgelaufen ist, werden die Abgase fast vollständig umgesetzt.

Selbst wenn die Katalysatoren die Abgase effektiv in ungiftige Gase umwandeln, entsteht in dem Prozess immer das Treibhausgas CO2. Dazu kommt ein weiteres schwer wiegendes Problem: Wenn NOx-Gase zu Stickstoff und Sauerstoff reduziert werden, entstehen kleine Mengen Distickstoffoxid (N2O), also Lachgas. Es ist mehr als 300-mal so schädlich fürs Klima wie CO2.

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