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Sonntag, 17. Dezember 2017

Motorentechnologie

„Wir haben eine Dieselhysterie“

Von Peter Kellerhoff | 2. März 2017 | Ausgabe 09

Die Dieseltechnologie ist ausgereift, sagt Uwe Wagner vom Karlsruher Institut für Technologie. Sie ist nur für Kleinwagen zu teuer.

VDI nachrichten: Stuttgart, sinnvoll oder nicht?

Wagner: Dies ist eine sehr pauschale Frage, aber dennoch: Nein, eigentlich nicht sinnvoll. Es wird Vieles durcheinandergeworfen, verkürzt dargestellt und in falsche Zusammenhänge gebracht. Momentan habe ich das Gefühl, alles Schlechte wird auf dem Dieselmotor ausgekippt. Man müsste differenzierter betrachten, welche Probleme vorhanden sind und welche Ursachen dafür verantwortlich sind, als es allgemein wird.

Uwe Wagner

Wie müsste man es denn darstellen?

Bei aller Problematik muss genau betrachtet werden, in wie weit der Dieselmotor überhaupt dafür verantwortlich gemacht werden kann. Aktuell ist in Stuttgart das Thema Stickoxid, konkret NO2. Hier leisten Dieselfahrzeuge tatsächlich noch einen großen Beitrag, der jedoch mit zunehmender Durchdringung des Fahrzeugbestandes mit EURO-6d-Fahrzeugen kontinuierlich auf sehr niedrige Werte sinken wird. Die andere Sache sind die Feinstaubpartikel. Hier sind durch den Einsatz von Dieselpartikelfiltern andere Quellen, die nicht dieselfahrzeugspezifisch sind, als Verursacher anzuführen.

Gibt es in Deutschland eine Dieselhysterie?

Ja, ich würde das so ausdrücken, wir haben eine Dieselhysterie. Diese ist für mich aber auch in Grenzen nachvollziehbar – Stichwort VW-Skandal. Hier wurde eine Abschaltautomatik installiert, die die Abgasnachbehandlung im Wesentlichen nur in einem Zertifizierungsprüflauf vollumfänglich aktiviert, was explizit verboten und nicht tolerierbar ist. Das hat das Image des Dieselmotors angeschlagen und findet sich auch in der öffentlichen Diskussion wieder.

Aber auf dem Prüfstand entsprachen die Dieselmotoren den gesetzlichen Grenzwerten doch?

Es gab bis Mitte 2017 eine gesetzliche Grauzone, da mussten die Fahrzeuge, wenn sie neu zugelassen werden, die Schadstoffgrenzwerte einhalten und zwar nur unter ganz synthetischen, theoretischen Laborrandbedingungen auf dem Rollenprüfstand mit dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) als Fahrprofil. Das taten sie. Was die Fahrzeuge außerhalb dieses Rollenprüfstandszyklus machen, war bislang gesetzlich nicht limitiert. D. h. in dieser Hinsicht gab es keine Verpflichtung für die Autohersteller, diese Grenzwerte auch außerhalb des Zertifizierungszyklus einzuhalten. Mit Einführung der EURO 6c und 6d Norm wird sowohl eine Verschärfung des Rollenprüfstandszyklus zum Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure (WLTP) als auch eine Kontrolle der realen Straßenfahrtemissionen (Real Driving Emissions; RDE) eingeführt.

Tricksen andere Hersteller auch?

Das kann ich nicht vollumfänglich beurteilen, nachgewiesen wurde eine solche Abschalteinrichtung aktuell bislang nur bei VW-Marken. Bei anderen Herstellern gibt es bei Dieselfahrzeugen keine Hinweise auf ähnliche Manipulationen. In den 90er-Jahren wurden sieben US-Nutzfahrzeughersteller ähnlicher Vergehen überführt. Die Strafen in Höhe von 1 Mrd. € muten heute jedoch vergleichsweise milde an verglichen mit bis zu 18 Mrd. € Strafe für VW.

Warum stößt ein Dieselmotor eigentlich so viel mehr Partikel aus als ein vergleichbarer Benziner?

Das liegt am Brennverfahren, bzw. der Direkteinspritzung. Beim Ottomotor wird der Kraftstoff zusammen mit der Luft dem Motor zugeführt, d. h. Luft und Kraftstoff sind sehr homogen miteinander vermischt. Die Verbrennung wird dann mit einem Zündfunken eingeleitet. Beim Dieselmotor sieht es ein wenig anders aus, dort wird ihm im ersten Schritt erst einmal reine Luft zugeführt. Diese wird verdichtet und in die heiße, verdichtete Luft wird dann – kurz bevor die Verbrennung einsetzt – Dieselkraftstoff eingespritzt. Der Dieselkraftstoff muss erst verdampfen und sich mit der Luft vermischen, bevor er zünden und verbrennen kann. Diese ganzen Vorgänge, Einspritzung, Verdampfung Luftvermischung und eine Zündung ohne Zündkerze, laufen nahezu gleichzeitig ab. Das kann bedeuten, dass man im Dieselmotor schon verbrennenden Kraftstoff vorfindet und trotzdem noch flüssiger Dieselkraftstoff eingespritzt wird. Das führt zu einer unsaubereren Verbrennung und damit zu einer Rußbildung. Beim Ottomotor wird ein homogen gemischtes Luft-Benzin-Gemisch zugeführt und gezündet, was weit weniger Rußbildung mit sich bringt.

Für 2020 wird erwartet, dass ein Viertel aller Fahrzeuge mit Benzindirekteinspritzung ausgestattet sein wird. Wartet da nicht die Partikelbaustelle auf uns?

Ja, und auch da gibt es ähnlich wie beim Dieselmotor die Möglichkeit, dass es zu Partikel- oder Rußbildung kommen kann. Zwar nicht so gravierend wie beim Diesel, aber eben auch problematisch. Es zeichnet sich bereits am Horizont ab, dass insbesondere Benziner mit Direkteinspritzung mit Partikelfiltern ausgerüstet werden, weil sie ebenfalls Schwierigkeiten haben werden, den Grenzwert der Partikel von maximal 6 x 1011/km einzuhalten. Aber die Abgastemperaturen beim Benziner sind deutlich höher als beim Diesel, das macht die Abgasnachbehandlung für Partikel einfacher. Alle Automobilhersteller haben dies in ihren Entwicklungen auf dem Schirm.

Die Autohersteller behaupten, das Problem mit der Partikelemission sei bereits lange gelöst.

Das stimmt. Mit der großflächigen, serienmäßigen Einführung des Partikelfilters im Pkw-Dieselmotorenbereich Anfang des Jahrtausends durch Peugeot und sukzessive aller Fahrzeughersteller ist die Partikelproblematik technisch gelöst.

Und die Stickoxide?

Jeder Verbrennungsmotor hat das Problem, dass Stickoxide (NOX) auftreten. Das hat den Grund, weil die bei der Verbrennung auftretenden Temperaturen oft so hoch sind, dass der in der Luft sowieso zu knapp 80 % vorhandene Stickstoff maßgeblich zu NO und auch zu NO2 oxidiert wird. Zusammen spricht man dann von NOX. Bis zu 95 % der NOX-Emissionen sind Stickstoff, also NO, der Rest ist NO2. Der Dieselmotor hat im Vergleich zum Ottomotor bei den Stickoxiden ein Problem, weil die Abgasnachbehandlung so schwierig ist.

Was macht die Abgasnachbehandlung so schwierig?

 Beim Ottomotor gibt es seit vielen Jahren den Dreiwegekatalysator. Er heißt deswegen so, weil er die drei kritischen Schadstoffkomponenten gleichzeitig reduzieren kann. Erstens oxidiert er unverbrannte Kraftstoffe zu CO2 und Wasser, zweitens oxidiert er Kohlenmonoxid-Emissionen zu CO2 und drittens werden die Stickoxide NOX im Katalysator zu molekularem Stickstoff N2 reduziert.

Und warum gibt es keinen Dreiwegekatalysator für Dieselmotoren?

Die dritte Reaktion ist das Problem. Die Reduktion des Stickoxids – also dem NO das Sauerstoffatom wegzunehmen – funktioniert nur, wenn im Abgas kein Sauerstoff mehr vorhanden ist. Das ist beim normalen Ottomotor der Fall ist, wo das gut durchmischte, stöchiometrische Gemisch gezündet und bei der Verbrennung der gesamte Sauerstoff verbraucht wird. Das sieht beim Dieselmotor anders aus. Er fährt immer mit einem sogenannten Luftüberschuss. Das heißt, man hat immer ein bisschen mehr Sauerstoff im Brennraum, als man eigentlich braucht. Was natürlich bedeutet, dass dieser Sauerstoff auch wieder durch den Auspuff ausgeblasen wird. Dadurch können die Stickoxide nicht zu molekularem Stickstoff reduziert werden, weil das nur ohne Sauerstoff geht. Das ist der Grund, warum der Dreiwegekatalysator beim Diesel nicht funktioniert.

Darum die Harnstoffeinspritzung?

Entweder man schafft es, dass bei der Verbrennung wenig oder gar keine Stickoxide entstehen, oder man muss sich im Bereich des Abgasstranges irgendwas überlegen, um die Stickoxide zu reduzieren. Beim Dieselmotor kommt dann der sogenannte SCR-Katalysator ins Spiel. SCR steht für selektive katalytische Reduktion. Mithilfe einer Harnstofflösung werden dabei gezielt die Stickoxide zu molekularem Stickstoff reduziert.

Nun kennt ja jeder Verbrauchsangaben wie Benzinverbrauch pro 100 km. Wie viele Liter Harnstoff kämen dann noch oben drauf?

Pauschal kann man das nicht sagen, aber man spricht von 2 % bis 5 % der Kraftstoffmenge. Das bedeutet aber auch, dass bei einer Fahrstrecke von 1000 km ca. zwischen 1 l und 5 l Harnstofflösung benötigt werden. Ich denke, genau das war für VW auch ein wesentlicher Treiber, da zu schummeln, denn abgesehen von den Kosten – etwa 1,60 €/ l – hätte es ja auch bedeutet, dass der Kunde in regelmäßigen Abständen Harnstoff, bzw. AdBlue hätte nachtanken müssen, oder ein ausreichend großer Tank im Fahrzeug vorhanden sein müsste, um die Inspektionsintervalle zu überbrücken.

Die wässerige Harnstofflösung wird ja vor dem Katalysator in Ammoniak aufgespalten, dem eigentlichen Stickstoffreduktionsmittel. Könnte man nicht gleich einfach Ammoniak mitführen?

Ammoniak ist nicht ganz ungefährlich. Es ist ein stark stechend riechendes, farbloses, wasserlösliches und giftiges Gas, das zu Tränen reizt und erstickend wirkt. Die Gefahr im Falle eines Unfalls ist ungleich niedriger, wenn wässeriger Harnstoff ausläuft, als wenn der Druckbehälter mit Ammoniak beschädigt würde.

Wenn man jetzt den richtigen Einsatz von Harnstofflösungen voraussetzt: Ist dann der Diesel genau so sauber wie ein vergleichbarer Benziner?

Zumindest ist er auf einem technisch ähnlich hohen Niveau. Die Abgasgrenzwerte unterscheiden sich nicht mehr signifikant.

Wenn sich beide Antriebsarten bei den Schadstoffausstößen kaum mehr unterscheiden, der Diesel aber einen Verbrauchsvorteil von 15 % bis 20 % und damit auch CO2-Vorteile hat – müsste nicht die Dieseltechnologie die größere Zukunft haben?

Im Prinzip gebe ich Ihnen Recht. Rein verbrauchs- und abgastechnisch gesehen müsste dem Diesel die Zukunft gehören. Das Problem aber ist, dass die Abgasnachbehandlung beim Diesel wesentlich komplexer und teuer ist. Stand heute ist, dass ein Dieselmotor inklusive Abgasnachbehandlung in der Herstellung etwa doppelt so teuer ist, wie ein Ottomotor. Nun wird sich aber auch der Ottomotor weiterentwickeln und die Verbrauchsvorteile des Diesels werden schrumpfen. Aber nie ganz, weil der Diesel prinzipbedingt thermodynamisch immer Vorteile beim Wirkungsgrad haben wird.

Stichwort Erdöl: Wäre es nicht besser, sich auf eine Technologie zu fokussieren und z. B. nur Kraftstoffe für Ottomotoren herzustellen?

Aus einer Raffinerie kommen immer beide Kraftstoffarten, das ist produktionsbedingt. Da macht es keinen Sinn, sich nur auf eine Kraftstoffart zu konzentrieren, denn die andere fällt beim Produktionsprozess immer in gewissen Mengen mit an. Auch so ist es zu erklären, dass teilweise Europa Benzin z. B. in die USA exportiert und im Gegenzug Diesel aus Amerika importiert.

Wo ist der Diesel denn auf lange Sicht unersetzlich?

Immer da, wo es um Kraftstoffverbrauch und um lange Strecken geht, beispielsweise im Güterverkehr, auf dem Lande und zu Wasser. Ich rede von Lkw, Schiffsverkehr und teilweise auch Schienenverkehr. Da wird der Dieselantrieb auf längere Sicht unersetzlich bleiben.

Esheißt, der Diesel sei für die Automobilhersteller unverzichtbar bei der Umsetzung der europäischen Klimaziele und der gesetzlich-regulatorischen Vorgaben bezüglich des Schadstoffausstoßes.

Das ist in der Tat ein großes Dilemma für sie. Besonders für jene Hersteller, die große Fahrzeuge verkaufen. Und das Trendthema SUV verstärkt das Dilemma weiter. Immer größere, schwerere Fahrzeuge mit größeren Rollwiderstands- und cw-Werten benötigen sparsame Motoren, wo der Diesel seine Vorteile ausspielen kann. Aber die Hersteller machen ihre Hausaufgaben. Neue Modelle etwa von BMW oder Mercedes, aber auch Volkswagen wurden am Institut für Kolbenmaschinen getestet und erfüllen schon jetzt die neuen Grenzwerte – auch im Fahrbetrieb – die eigentlich erst ab Herbst dieses Jahres gelten.

Zwei gegensätzliche Positionen: VW hat angekündigt, die Dieseltechnologie auslaufen zu lassen. Daimler-Chef Zetsche glaubt jedoch weiter an den Diesel und hat 2016 Investitionen von über 2,5 Mrd. € in eine neue Generation von hocheffizienten Dieselmotoren angekündigt. Wer von den beiden verfolgt hier die richtige Strategie?

Sofern beide Aussagen nicht politisch gefärbt sind, halte ich persönlich die Aussage von Daimler für die richtige. Die Elektromobilität läuft noch sehr schleppend an, sodass Investitionen in Verbrennungsmotoren noch lange ihre Berechtigung haben werden. Wenn man zudem berücksichtigt, dass – zumindest derzeit in Deutschland – sehr viel Strom noch in Braunkohlekraftwerken bzw. aus fossilen Energieträgern hergestellt wird, dann hat ein Elektrofahrzeug aktuell noch eine um bis zu 15 % schlechtere CO2-Bilanz als ein Benzin- oder Dieselfahrzeug. Das wird sich ändern, je mehr Strom regenerativ erzeugt wird. Doch Aussagen, der Verbrennungsmotor sei ein Auslaufmodell, halte ich für falsch. Ohne Investitionen verliert man so technisch den Anschluss. Deswegen kann ich die Aussagen von VW nicht so ganz glauben. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der aktuellen Entwicklungen von alternativen Kraftstoffen, z. B. sogenannten „e-fuels“ zu beachten, die zukünftig einen signifikanten Beitrag zur effizienten Verwendung von regenerativ erzeugtem Strom leisten werden.

Die Dieselzulassungen gehen auf dem Kernmarkt Europa kontinuierlich zurück. Ist durch die politischen Diskussionen, dem VW-Dieselskandal und den daraus resultieren Verunsicherungen der Kunden der Diesel nicht schon „verbrannt“?

Nicht verbrannt, sondern angebrannt. Ich glaube, das ist eine Delle, die sich in ein paar Jahren auch wieder legen kann. Allerdings: Wenn Beispiele wie aktuell das Innenstadtverbot für Dieselfahrzeuge in Stuttgart Schule machen werden und die Steuervorteile für Dieselkraftstoff wegfallen sollten, dann wird es allerdings problematisch. Was wir brauchen sind Differenzierungen in der Diskussion. Die Welt ist nicht schwarz oder weiß, der Diesel nicht gut oder schlecht – es gibt mehr als genug Grautöne dazwischen.

Die Grünen fordern ab 2030 ein Verbot aller Verbrennungsmotoren. Für wie realistisch halten Sie das?

(lacht) Das hängt natürlich von den Wahlen ab, aber ich halte das für unrealistisch und für eine komplette Fehlentscheidung. Wir werden zweifellos eine Elektrifizierung oder Teilelektrifizierung von Fahrzeugen sehen, z. B. kleine, rein elektrisch betriebene Stadtfahrzeuge oder größere Hybridfahrzeuge. Jedoch muss bedacht werden, dass auch Hybridfahrzeuge einen Verbrennungsmotor haben. Und was ist mit Lkw, Schiffen, Schienenfahrzeugen? Da ist man mit reiner Elektromobilität in vielen Fällen aufgeschmissen. Aus meiner Sicht muss man alle Anwendungsgebiete differenziert betrachten, es wird nicht die alleinselig machende Lösung geben.

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