Hat der Diesel noch Zukunft ?

Der ideale Dieselmotor ist sehr umweltfreundlich und hat einen relativ hohen Wirkungsgrad von bis zu 55% [1]. Im Bestfall entstehen als Abgas nur Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) [2]. Schon bei der Weltausstellung 1890 präsentierte Rudolf Diesel den nach ihm benannten Motor auch als „Ökovariante“, das Ausstellungsstück verbrannte Erdnussöl (Arachidöl) statt Mineralöl, was aber damals nicht weiter interessierte – vor allem nicht die gerade erst boomende Petroindustrie [3]. Wird der ideale Diesel mit regenerierbarem Treibstoff betrieben, kann er sogar als CO2-neutral gelten und wäre dann so zukunftsweisend wie ein Wasserstoff-Motor [4] oder die Brennstoffzellen-Technik, nur effizienter.

Leider ist die Welt nicht ideal. Der Dieselmotor hat „Konstruktionsfehler“: Beim Gasgeben leidet er kurzzeitig unter Sauerstoffmangel, was zu vermehrter Ruß- und damit Feinstaubemmission führt. Beim Drosseln „verbrennt“ der heiße Motor zuviel Luft, die zu gut 78% aus Stickstoff besteht – Stickoxid-Verbindungen (NOx bzw. richtiger NyOx) entstehen. Hinzu kommt: das Luft/Treibstoffgemisch wird im Zylinder während des Ansaugtakts nicht ideal und gleichförmig gebildet, die Zündung erfolgt nicht 100%ig gleichzeitig, so dass die Verbrennung selbst bei modernsten Motoren nicht wirklich vollständig ist. Giftiges Kohlenmonoxid (CO) und krebserregendes Hydrocarbon (HC) und Benzol werden erzeugt bzw. freigesetzt und einige weitere Stoffe – wenn auch in geringen Mengen und in geringerem Maße als beim Benzinmotor. Nur etwa 0,2% des Abgases sind „unerwünscht“ [5] – doch Dieselabgas gilt seit 2012 offiziell als krebsauslösend [6]. Die große Zahl an Fahrzeugen ist das Problem, nicht so sehr der einzelne Motor: 2014 waren auf Deutschlands Straßen 13,215 Millionen (!) Dieselfahrzeuge unterwegs [7], hinzu kommen Industrie, Schiffahrt, Bahn und Nutzfahrzeuge aller Art. 2015 lag der Anteil der Diesel-Pkw in Deutschland beim Rekord von 48,0 % [8].

Der „Allesfresser“ war gestern
Diesel Engine (4 cycle running)

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Der Dieselmotor bestach einst durch seine Einfachheit: Er läuft ohne empfindliche Zündkerzen, brauchte keine fehleranfällige Zündelektronik (siehe Schema rechts). Die Herstellung war ebenfalls einfach: ein bißchen Metall – Zylinder, Ventile, Pleuelstange, Kurbelwelle, ein bißchen Schmieröl. Das „4-Takt-Ballett“ aus Zylinder und Ventilen reichte aus, um mit irgendeinem zweit- oder drittklassigen Dieselöl Bewegungsenergie zu erzeugen. Und das selbst unter rauesten Bedingungen – ob Sahara oder Sibirien. Einfache Konstruktion und „Genügsamkeit“ des Diesel im Hinblick auf sein Antriebsmittel stellten in der Praxis aber auch seinen größten Nachteil dar. Man kann dank des einfach konstruierten Motors zwar im Prinzip mit allem fahren, was sich zerstäuben und an der Luft explodieren lässt. Doch vom „idealen“ d.h. umweltfreundlichen, effizienten Diesel entfernt man sich damit entsprechend weit: Die Abgaswerte in den Anfangsjahren hat keiner gemessen, sie dürften aber sehr viel höher als heute gewesen sein. Seit 1990 hat sich der NOx-Ausstoß – hier einmal als Indikator genannt – insgesamt mehr als halbiert [9].

Von Direkteinspritzung bis zur CR-Technik
Mercedes 300 SD Turbodiesel

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Über die Jahrzehnte wurde der Dieselmotor weiterentwickelt. 1924 stellte MAN den ersten Dieselmotor mit Direkteinspritzung für Nutzfahrzeuge vor. 1936 präsentierten Mercedes und Hanomag auf der IAA je ein Dieselmodell vor [10]. Ein Innovationssprung war der Abgasturbolader im Pkw, erster Turbodiesel-Pkw überhaupt war der Mercedes 300 SD von 1978 (links). Diese Technik verbesserte die Leistung erheblich: Während der Ansaugphase (erster Takt) wird Verbrennungsluft mithilfe eines Verdichters unter erhöhtem Druck zugeführt, sodass auch die Kraftstoffmenge pro Explosionstakt entsprechend erhöht werden kann. Der Verdichter wird mithilfe einer Turbine angetrieben, die die Energie des Abgasstroms ausnutzt [11].

Neuentwicklungen der Brennkammer-Geometrie wie das M-Verfahren [12] brachten Fortschritte in der Motorentechnik. Die Form des Brennraums beeinflusst maßgeblich die Qualität des Kraftstoff-Luftgemischs, damit den Kraftstoffverbrauch, die Leistung, die Klopfneigung und die Abgaszusammensetzung eines Motors [13]. Nachglühfähige Kerzen brachten den Motor schneller auf Betriebstemperatur, was den Motor schonte, ihn ruhiger laufen ließ und das typische „Nageln“ verhinderte [14]. Die Reiheneinspritzpumpe, mittlerweile auch elektronisch gesteuert, brachte die erste Optimierung im Zusammenspiel von Einspritzung und Zündung. Die Pumpe-Düse-Einspritzung (PDE, vor allem bei VW eingesetzt) [15], der Nachfolger „Common Rail“-Technik (CR) [16] ermöglichten ab 1997 mit hohen Drücken und elektronischer Ansteuerung zielgenauere Kraftstoff-Einspritzungen, wodurch der Verbrauch gesenkt und die Abgasemissionen reduziert werden konnten.

Ist HCCI der „ideale Diesel“?
Mazda 6 2.2 Skyactiv-D 150

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Noch scheint der Diesel im Pkw nicht am Ende. Die Zukunft könnte dem sogenannten HCCI-Motor gehören [17]. Bei der „Homogeneous Charge Compression Ignition“ (HCCI) wird der eingespritzte Kraftstoff vor der Zündung weitgehend homogen mit Luft vermischt und dann über die Verdichtung kontrolliert gezündet. Die Durchmischung der Kraftstoff-Luft-Wolke wird noch verbessert, indem spezielle Kraftstoffe mit frühem Siedebeginn und –ende eingesetzt werden. Ergebnis: NyOx und Rußpartikel lassen sich fast vollständig eliminieren, der Wirkungsgrad wird durch höhere Verdichtung auch gesteigert. Die Technik verbindet Vorteile von Otto- und Dieselmotor und wird daher mitunter „Diesotto“ genannt. Nachteil: Die Emission von Kohlenstoffmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen wie Hydrokarbon (krebserregendes HC) ist erhöht [18]. Ein schönes Beispiel dafür, dass erst die Gesamtbetrachtung des Abgascocktails in der Praxis und seiner Wirkung auf Mensch und Natur sowie der CO2-Bilanz eine Bewertung erlaubt, mit der man sich der Wahrheit nähert.

Mazda setzt voll auf das HCCI-Verfahren (hier heißt es z.B. SKYACTIV-D) und wirbt: „Verbindliche Standards wie die EURO 6d-Temp-Norm, die erst 2019 in Kraft tritt, erfüllen unsere Motoren bereits. Und das serienmäßig“ [19]. Anders als alle Motoren des Wettbewerbs kommen Mazdas Dieselmotoren teils ohne die teure Abgasnachbehandlung aus: Mazda CX-5 und Mazda 6 laufen in Europa und fast überall anderswo ohne Speicher- und SCR-Kat [20]. Warum hat die deutsche Autoindustrie den HCCI-Motor verschlafen?

Die Kunst des Kraftstoffs

Dieselkraftstoff besteht aus einem Gemenge, einem „Blend“, an geraden, verzweigten und ringförmigen Kohlenwasserstoffen mit 10–22 C-Atomen (Benzin: 5–9 C-Atome); vorwiegend aus langkettig gesättigten (Alkane CnH2n+2), ringförmig gesättigten (Cycloalkane CnH2n) und aromatischen Kohlenwasserstoffen. Es hat einen höheren Flammpunkt als Benzin bei 58 °C bis 65 °C [21]. Je höher die Cetanzahl, desto besser ist der Kraftstoff für Dieselmotoren geeignet. Über Jahrzehnte wurde z.B. daran „gefeilt“, die Cetanzahl weiter nach oben zu treiben.

Die aus Mineralölen gewonnenen Dieselöle enthielten früher (natürlicherweise) Schwefel, der im Motor zu Schwefeldioxid (SO2) verbrennt und auf Rußpartikeln zu feinsten Schwefelsäure (H2SO4)-Tröpfchen kondensiert [22] – beim Einatmen droht eine Schädigung der Lunge. Erst seit Anfang 2000 schrieben die gesetzlichen Regelungen der EU eine maximale Obergrenze von 350 ppm Schwefel für Diesel vor. Diese Grenzwerte wurden im Jahr 2005 auf 50 ppm reduziert, mittlerweile gelten EU-weit 10 ppm (in den USA 15 ppm) als Grenzwert [23]. Die Autoindustrie hat selbst auf die Reduzierung des Schwefelgehalts hingewirkt, weniger aus reiner Menschenliebe, sondern weil dieser die moderne piezo-gesteuerte Einspritztechnik (CR) sowie den Katalysator schädigen würde.

Giftige Additive pimpen den Diesel auf
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Moderner Diesel-Kraftstoff enthält „in geringen Mengen“ Additive, die z.B. den Rußausstoß deutlich vermindern, den Kraftstoffverbrauch senken, als Antiklopfmittel, zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften, zur Reinigung des Ansaugsystems, Verbesserung der Zündwilligkeit (Cetanzahl), zur Verhinderung von Rost im Tank oder zur Verlängerung der Haltbarkeit des Treibstoffs [24]. Dazu zählen Tetranitromethan und Amylnitrat (oder andere reaktionsfähige Nitrate). Tetranitromethan (C[NO2]4) ist eine farblose bis gelbliche, stechend riechende, extrem stark brandfördernde Flüssigkeit. Die Dämpfe greifen die Atemwege stark an, was bei der hohen Flüchtigkeit der Verbindung beachtet werden muss. Der Stoff ist sehr stark krebserregend, da die DNA von diesem Stoff nitriert wird. Amylnitrat (C5H11NO3) ist ein birnenartig fruchtig riechendes Öl. Die Dämpfe sind giftig und können beim Einatmen zu Kreislaufstörungen führen [25].

DD-Additive (Detergens-Dispersants) sollen als Schmierstoffe schädliche Ablagerungen in Verbrennungsmotoren verhindern. Vor allem Salze von Alkylarylsulfonsäuren erfüllen diesen Zweck [26]. Alkylarylsulfonsäure wird in einer EU-Verordnung als gesundheitsgefährdend oder umweltgefährlich eingestuft, ist in professionellen Sanitärreinigern (Helotil) und Insektiziden enthalten [27].

Von November bis 28. Februar wird in Deutschland an den Tankstellen der sogenannte Winterdiesel verkauft. Er enthält sogenannte Fließverbesserer, die ein Ausflocken von Paraffinen bei niedrigeren Temperaturen reduzieren. Ohne diese Zusätze würden sich in den Treibstoffleitungen Paraffinkristalle zusammenklumpen, welche die Dieselfilter verstopfen würden. Niedermolekulare Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA) und hochalkylierte Naphthalinderivate aus Chloralkanen und Naphthalin (Paraflow) gelten hierfür als besonders geeignet. EVA ist eine Art Kunststoff und wird als Granulat, wässrige Dispersion oder auch als Folienmaterial angeboten. Dem Winterdiesel wird die Substanz natürlich flüssig zugesetzt, sie trägt somit zum Mikroplastik-Eintrag in die Umwelt bei, sofern sie nicht im Verbrennungsprozess aufgespalten und oxidiert wird. Gesundheitliche Wirkungen oder Umweltgesichtspunkte von EVA wurden noch nicht untersucht [28], wie in vielen Fällen wird erstmal freigesetzt ohne groß zu hinterfragen. Naphthalin ist ein bicyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff mit charakteristischem Geruch nach Mottenpulver/Teer und ist gesundheitsschädlich und umweltgefährlich. Allerdings kann er als „natürlich“ gelten, denn manche Pflanzen (Magnolien) stellen Naphthalin her und eine Termitenart setzt den Stoff ein, um sich gegen Fraßfeinde zu schützen. Chloralkane gelten als sehr giftig für Wasserorganismen und werden im Körper angereichert. Zur Wirkung auf den Menschen gibt es bislang keine Studien [29]. Auch dem Motoröl werden übrigens verschiedene Additive zugesetzt, um z.B. die Schmierung im Zylinder zu verbessern bzw. auch bei widrigen Verhältnissen (Kälte, hoher Anteil an Biodiesel) weiter zu garantieren. Reste des Schmierfilms an der Wandung der Zylinder werden im Explosionstakt mitverbrannt.

Weitere Additive sollen die Korrosion (z.B. des Tanks) verhindern, die Schaumbildung beim Tanken reduzieren (damit man schneller tanken kann) oder das „Verderben“ des Diesels verhindern. Man glaubt es kaum, aber die Kohlenwasserstoffverbindungen des Dieselkraftstoffs dienen einigen Mikroben und Pilzen als Nahrung. Wenn Kondenswasser in den Tank gerät und dort im Sommer Temperaturen von 30°-40°C herrschen, fühlen sich die Mikroorganismen wohl und vermehren sich an der Grenze zwischen Wasser und Kraftstoff, gelangen mit ihren schmierigen Abbauprodukten auch in Leitungen und Filter. Als Biozid, Bakterizid oder Fungizid wird das Additiv Grota Mar 71 [30] empfohlen – Wirkstoff: 3,3′-Methylenbis[5-methyloxazolidin] [31] – dessen Wirkung auf dem kontinuierlichen Freisetzen von Formaldehyd beruht, weshalb es als krebsauslösend eingestuft wurde [32].

Diesel und extraleichtes Heizöl (EL) haben einen ähnlichen Siedeverlauf, weshalb sie in technisch wenig anspruchsvollen Geräten austauschbar sind. Wer weiß, wieviele Landwirte z.B. ihre alten Traktoren noch mit „steuerfreiem“ Heizöl betreiben. Bis 1994 waren beide Produkte identisch, wobei Heizöl rot eingefärbt wurde. Seit 1995 sind die Qualitätsunterschiede zwischen Diesel und Heizöl immer größer geworden, allerdings wird Heizöl immer noch eingefärbt und mit einem chemischen Indikator versehen. Heizöl enthält beispielsweise bis zu 2000 mg/kg Schwefel – wieso das Schwefelverbot nicht für Heizungsanlagen gilt, ist ein eigenes Thema: Schließlich werden auch durch einen Schornstein ätzende, gesundheitsgefährdende Abgase freigesetzt, nicht nur durch den Auspuff. Einmal abgesehen vom subventionierten Flugverkehr: Hier gibt es keine „Schummelsoftware“; die aus steuerfreiem Kerosin erzeugten Abgase werden ungefiltert in die Luft geblasen. Oder in der Hochseeschiffahrt: Überwiegend verfügen Schiffsdiesel über keinerlei Partikelfilter oder Abgasnachbehandlung.

Den an Autotankstellen vertriebenen Kraftstoffen werden oft Farben beigemischt, die sie mit der jeweiligen Markenfarbe des Mineralölkonzerns schmücken. Verwendet werden sogenannte Sudanfarbstoffe, die als gesundheitsschädlich gelten, vor allem, wenn sie in die Lunge geraten [33]

Neue Giftstoffe durch Verbrennung von Additiven

Zusammenfassend fördern Additive einerseits die optimale Verbrennung. Saubere Motoren verbrennen den Kraftstoff effizienter, senken sogar den Kraftstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß. Andererseits entstehen durch solche Zusätze bei der Verbrennung oder Mischung neuartige Giftstoffe, viele von ihnen noch unbekannt. Beispiel: Das dem Benzin zugemischte Antiklopfmittel Methyl-tert-Butylether (MTBE) kann mit dem Motorenöl stark toxische Verbindungen bilden. Insgesamt gilt, dass die Wechselwirkung dieser additiven Substanzen, ihre Rolle im Verbrennungsprozess sowie die chemischen Reaktionen durch die Verbrennung und die Auswirkung der entstehenden Stoffe auf die Umwelt noch kaum untersucht sind [34]. Natürlich liegt nahe, dass für solche Forschungen wenig Geld sprudelt, schon gar nicht von der Autoindustrie. Das Additiv-Problem stellt sich auch nicht nur beim Diesel, sondern gilt für alle Verbrennungsmotoren, ob nun Benzin, Biodiesel oder E-Fuel verwendet wird. Eine eingeschränkte Sicht auf den Ruß- und NyOx-Ausstoß des Diesel übersieht das wahre Ausmaß dieses Problems.


Literatur

(HF) Hermann Fischer: Stoffwechsel. Auf dem Weg zu einer solaren Chemie für das 21. Jahrhundert, ISBN: 9-783-888977848
(FO) J. Feßmann, H. Orth: Angewandte Chemie und Umwelttechnik für Ingenieure, ISBN: 3-609-68352-X


Fußnoten

[1] Wikibooks: Motoren aus technischer Sicht/ Vergleich zwischen dem Otto- und dem Dieselmotor, kfz-tech: Wirkungsgrad, Wikipedia, Dieselmotor, Abschnitt „Wirkungsgrad“.
[2] Da Dieselöl ein „Blend“ ist, also ein Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoff-Verbindungen, soll der ideale Verbrennungsprozess hier nur mit einer Symbolformel für Ethan (C2H6) repräsentiert werden:

2 C2H6 + 7 O2 -> 4 CO2 + 6 H20

[3] deacademic.com: Dieselmotor, Abschnitt „Kraftstoff“: Rudolf Diesel berichtete in einem Vortrag vor der „Institution of Mechanical Engineers of great Britain“: „… auf der Pariser Weltausstellung wurde ein kleiner Dieselmotor der Firma Otto gezeigt, der auf Anforderung der französischen Regierung auf Arachidöl (einem aus Erdnüssen gewonnenen Öl) lief, und er arbeitete so problemlos, dass nur sehr wenige Leute darauf aufmerksam wurden. Der Motor war für den Gebrauch von Mineralöl konstruiert und arbeitete ohne Änderungen mit Pflanzenöl.“
[4] motor-talk: Grundsätzliches zu Wasserstoff-Verbrennern. Ob der Wasserstoff-Motor wirklich so zukunftsweisend ist, darf bezweifelt werden. Auch dieser Motor verbrennt bei hohen Temperaturen Luft, wobei aufgrund deren Stickstoffanteil Stickoxide erzeugt werden. Ein Umstand, der oft unerwähnt bleibt …
[5] kfztech: Diesel Abgastechnik
[6] n-tv.de: Forscher warnen eindringlich – Krebsgefahr durch Dieselabgase
[7] Markt.de: Wie viele Autos gibt es in Deutschland?
[8] Umweltbundesamt: Stickstoffoxid-Emissionen
[9] Umweltbundesamt Stickstoffdioxid ist ein farbloses und geruchloses Gas, das durch Verbindung mit Wasser gefährlich wird, indem es Salpetersäure bildet (H2NO3), welche beim Einatmen Bronchien und Lunge angreift.
[10] welt.de: Der Dieselmotor hat einen grossen Nachteil
[11] Energie-Lexikon: Turboaufladung
[12] Wikipedia: M-Verfahren
[13] Wikipedia: Brennraum
[14] Wikipedia: Glühkerzen
[15] Wikipedia: Pumpe-Düse
[16] Wikipedia: Common Rail (CR)
[17] Aral: HCCI
[18] Wikipedia: Homogene Kompressionszündung
[19] Mazda: Mazda MX5
[20] Heise: Mazda baut ab 2019 Benziner mit Kompressionszündung
[21] Unter dem Flammpunkt versteht man die Temperatur, der ein brennbarer Stoff gerade so viel Dämpfe entwickelt, dass das Dampf-Luft-Gemisch durch eine 5 mm lange Zündflamme zum Aufflammen gebracht wird. Chemie am Auto: Klassische Kraftstoffe
[22] Chemie am Auto: Abgasreduzierung, Abschnitt „Schadstoffe im Abgas“. Schneider, Johannes; Drewnick, Frank (Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz): Aerosolmassenspektrometrie – Messung verkehrsbedingter Partikelemissionen, heiDOK: Ulrike Reichl: Messungen von Aerosol-Vorläufergasen im Abgas moderner Diesel-Kraftfahrzeugmotoren.
[23] Wikipedia: EN 590, Weltweite Schwefelgehalte handelsüblicher Dieselkraftstoffe – Feinklassifizierung. In Ländern wie Russland, Tunesien, Algerien, Sri Lanka, Argentinien oder Honduras können noch immer Schwefelgehalte bis 1.000 ppm und mehr vorkommen. Na denn: Besser im Urlaub nicht tief durchatmen.
[24] motorvital.de: Diesel Additive
[25] Chemie.de: Dieselkraftstoff
[26] Spektrum: Additive
[27] Herzog-Fachhandel: Sicherheitsdatenblatt zu Helotil
[28] Kunststoff-Handelsnamen: Ethylen-Vinylacetat-Copolymer
[29] Bafu: Chloralkane (CxH(2x-y+2)Cly; mit x=10 bis 13)
[30] Zeit.de: Was tun gegen den Dieselpilz?
[31] Schuelke: grotamar® 71
[32] Walleniuswater: Diese 3 Biozide können Krebs verursachen
[33] Conatex: Spektrometrische Untersuchung der Farbstoffe im Heizöl, Wikipedia: Sudanfarbstoffe
[34] (FO), S. 273 (Google Books: Kraftstoffe, Verbrennung in Verbrennungsmotoren)


Hinweise nach UrhG

2722.1   Tosaka, CC BY 3.0 via Wikimedia Commons 14.09.2021.  

2722.2   MartinHansV, Public domain, via Wikimedia Commons 15.09.2021.  

2722.3   Vauxford, CC BY-SA 4.0 15.09.2021.  

2722.4   Tim Boyle/Bloomberg via Getty Images 15.09.2021.  

© Rechte am Beitragsbild: Konstanttin, csp7251628 Standard Licence 2017


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