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Lexikon der Chemie: Kraftstoffe

Kraftstoffe, Treibstoffe, Brennstoffe, deren chem. gebundene Energie durch Verbrennung mit Sauerstoff in einer Verbrennungskraftmaschine in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Die K. werden im Verbrennungsraum von Motoren oder in den Brennkammern von Gasturbinen bzw. Raketen unter hoher Wärmeentwicklung verbrannt. Es gibt gasförmige K. (Propan, Butan, Wasserstoff), flüssige K. (Benzin, Petroleum, Alkohole, Hydrazin) und feste K. (Kohlenstaub). Die Qualität eines K. wird im wesentlichen durch die Verdampfungs- und Brenngeschwindigkeit, die Zündfähigkeit, die Klopffestigkeit und den Heizwert bestimmt.

Als Vergaserkraftstoffe, Abk. VK, die in Vergasermotoren (besonders Ottomotoren) eingesetzt werden, sind flüssige und gasförmige K. geeignet. Die flüssigen VK, von denen Benzin (Fahrbenzin, Flugbenzin) am weitaus wichtigsten ist, sollen möglichst schnell und vollständig, rückstandsfrei und ohne Klopfen, d. h. gleichmäßig verbrennen. Zur Erhöhung der Klopffestigkeit, die durch Angabe der Octanzahl (Abk. OZ) gekennzeichnet wird, werden den VK Antiklopfmittel oder Kraftstoffkomponenten mit hoher Octanzahl, z. B. Aromaten, tert-Butylmethylether (MTBE), Diisopropylether und Alkohole, zugesetzt. Während früher Erdölfraktionen im Siedebereich von 45 bis 200 °C (straight-run-Benzine) mit einer Octanzahl von 55 bis 65 Einheiten den weitaus wichtigsten VK darstellten, benötigen die heutigen Motoren (Viertakter) einen VK mit einer Octanzahl von 90 bis 95 Einheiten. Dieses Octanzahlniveau kann nur durch moderne Verfahren der Erdölverarbeitung erreicht werden (beispielsweise Reformieren, Hydrospalten, katalytisches und thermisches Cracken von Erdölfraktionen). Weiterhin können hochwertige VK auch durch Syntheseverfahren, wie Alkylierung und Oligomerisierung niederer Kohlenwasserstoffe, oder durch Umwandlung von Synthesegas (Fischer-Tropsch-Synthese) bzw. Methanol (Mobil-Oil-Verfahren) zu VK erzeugt werden.

Die handelsüblichen Fahrbenzine sind meist Mischungen von straight-run-Benzin mit klopffesteren verzweigten oder aromatischen Kohlenwasserstoffen unter Zusatz von sauerstoffhaltigen Verbindungen.

Die CO-, NOx- und Kohlenwasserstoffemission durch die Kraftfahrzeuge ist zu einem erheblichen Umweltproblem geworden.

Durch katalytische Nachverbrennung der Motorabgase oder durch Einsatz bleifreier Benzine wird die Emission giftiger Substanzen reduziert. Beim Einbett-Verfahren werden Kohlenmonoxid und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Beim Doppelbett-Verfahren wird außerdem noch NO entfernt nach der Gleichung NO + CO → CO2 + 1/2 N2. Als Abgaskatalysatoren werden vorzugsweise 0,1 bis 0,2 % Platin oder Palladium auf Aluminiumoxid eingesetzt. Durch den Bleigehalt der Abgase werden die Katalysatoren geschädigt, so daß für PKW mit Abgaskatalysator nur bleifreie Benzine eingesetzt werden können. Flugbenzin unterscheidet sich vom Fahrbenzin durch eine niedrigere Siedegrenze (≈ 145 °C) und eine höhere Klopffestigkeit (OZ ≥ 100). Rennkraftstoffe sind besonders abgestimmte Kraftstoffmischungen mit niedrigsiedenden, sehr klopffesten Anteilen mit hoher Verdampfungswärme. Sie enthalten meist mehr als 50 % Ethanol (OZ 99) oder Methanol (OZ 98). Als weitere Zusätze werden z. B. Aceton, Glycerin und Ether verwendet.

Die gasförmigen VK (Liquified Petroleum Gas, Abk. LPG) werden als Flüssiggase in Stahlflaschen oder in Spezialtanks im Fahrzeug mitgeführt. Wegen seines hohen Energiegehaltes und seiner Umweltfreundlichkeit ist Wasserstoff als Motorenkraftstoff von zunehmendem Interesse (s. u.).

Dieselkraftstoffe (Dieselöle), Abk. DK, bestehen ebenfalls aus Gemischen verschiedener Kohlenwasserstoffe, die aber im Vergleich zu den VK eine höhere Dichte haben und bei höheren Temperaturen sieden (≈ 180 bis 370 °C). Ausgangsprodukte der Erzeugung von DK sind Erdölfraktionen bzw. durch tiefere Verarbeitung von hochsiedenden Erdölfraktionen und Erdölrückständen gewonnene Kohlenwasserstoffe (Hydrospalten, Cracken, Visbreaken). Ein wichtiges Qualitätskriterium für DK ist die Zündwilligkeit, die durch die Cetanzahl (Abk. CaZ) ausgedrückt wird. Die Cetanzahen üblicher DK liegen zwischen 30 und 60 Einheiten. Zur Verbesserung der Zündwilligkeit werden den DK Zündbeschleuniger zugesetzt, d. s. energiereiche, sauerstoffabgebende Verbindungen, wie Alkylnitrite, -nitrate oder Peroxide.

Um das Verstopfen der Kraftstoffleitungen und der Pumpensiebe bei tiefen Temperaturen durch Paraffinausscheidungen zu vermeiden, werden die DK teilweise entparaffiniert (Paraffin), oder man setzt geeignete Additives zu. Weitere wichtige Eigenschaften sind der Stockpunkt, geringe Rückstandsbildung bei der Verbrennung und der Schwefelgehalt.

Als Turbinenkraftstoffe, d. h. K. für Gasturbinen, werden außer Düsenkraftstoffen (s. u.) Erdölfraktionen im Siedebereich von 200 bis 350 °C (leichte Heizöle) eingesetzt.

Als Düsenkraftstoffe, d. h. K. für Düsenflugzeuge (Flugzeuge mit Strahlantrieb), werden mittlere Fraktionen des Erdöls (Petroleum) im Siedebereich von 180 bis 240 °C verwendet. Der Aromatengehalt darf 25 % nicht überschreiten, da sonst erhöhte Rückstandsbildung bei der Verbrennung eintritt.

Raketentreibstoffe bestehen aus einer Brennstoffkomponente und einem Sauerstoffträger; sie können fest oder flüssig sein. Feste Raketentreibstoffe teilt man ein in Doppelbasistreibstoffe, die aus einer Mischung von Glycerintrinitrat und Cellulosenitrat bestehen, deren Moleküle sowohl sauerstoff- als auch brennstoffreiche Anteile erhalten, und in Compositetreibstoffe, die ein Gemenge zweier Stoffe bilden, die als Sauerstoffträger (z. B. Ammoniumnitrat, Ammoniumperchlorat) und Brennstoffkomponenten (z . B. hochpolymere Kunststoffe, wie Polyurethane) dienen. Flüssige Raketentreibstoffe bilden in der Regel Systeme, bei denen beide Komponenten – Brennstoffkomponente und Sauerstoffträger – getrennt gelagert werden. Als Brennstoffkomponenten werden Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Hydrazin, Amine sowie Borwasserstoffe eingesetzt. Sauerstoffträger sind Sauerstoff, Ozon, Wasserstoffperoxid, Salpetersäure, Stickstoffperoxid, Tetranitromethan und sauerstoffhaltige Fluorverbindungen. Einige flüssige Raketentreibstoffe zünden bei Kontakt ihrer Komponenten von selbst (Hypergole), z. B. Hydrazin und Salpetersäure. Beide Komponenten müssen darum getrennt gelagert werden. 80%iges H2O2 kann als selbständiger Raketentreibstoff ("kalter Treibstoff") verwendet werden, wenn man es mit Hilfe von Katalysatoren in Sauerstoff und überhitzten Wasserdampf spaltet (Katergole). Es ist auch möglich, staubförmiges Aluminium, Beryllium oder Lithium mit flüssigen Sauerstoffträgern in der Rakete zu verbrennen (Lithergole).

Alternativkraftstoffe. Wegen der Verteuerung und der begrenzten Verfügbarkeit des Erdöls wurden in zahlreichen Ländern Programme zur Herstellung von K. auf Nichtmineralölbasis (Alternativkraftstoffe) in Angriff genommen. Die derzeit aussichtsreichsten Alternativkraftstoffe sind synthetische Kohlenwasserstoffe, Alkohole und Wasserstoff. Von den Alkoholen ist besonders das Ethanol von Interesse, da es aus kohlenhydrathaltigen pflanzlichen Stoffen (Biomassen) gewonnen werden kann. Ethanol wird z. B. in Brasilien als Alternativkraftstoff eingesetzt (Vergärung von Zuckerrohr). Rapsöl oder Rapsölmethylester (RME) können als Dieselkraftstoff (meist in speziellen Motoren) eingesetzt werden.

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