Kraftstoff

Ein Kraftstoff ist ein chemischer Energieträger, ´der in Verbrennungsmotoren oder Raketenantrieben in mechanische Energie umgesetzt werden. Verbrennungsmotoren bilden heute die wichtigste Antriebsart, was Kraftstoffe zu einem wichtigen Gut machen. Sie bestehen meist aus unterschiedlichen Kohlenwasserrstoff-Verbindungen. Diese oxidieren zusammen mit Luftsauerstoff zu H₂O und CO₂.

Definition

Die Abgrenzung des Begriffes Kraftstoff zu dem Begriff Treibstoff ist nicht durchgängig einheitlich geregelt:

• Als Kraftstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zur direkten Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine genutzt wird. Besonders gängig ist der Begriff im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik.
• Als Treibstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels, seltener auch einer stationären Maschine, verwendet wird. Somit schließt der Begriff die Kraftstoffe mit ein. Besonders gängig ist der Begriff Treibstoff im Bereich der Schifffahrt und der Luft- und Raumfahrt.

In den meisten anderen Sprachen gibt es die Unterscheidung so nicht. So bedeutet z. B. im Englischen der Begriff fuel allgemein Brennstoff. Dies schließt Kraftstoffe (manchmal motor fuel genannt) und Treibstoffe (manchmal propellant genannt) mit ein.

Nicht als Kraftstoff bezeichnet werden üblicherweise Stoffe, die zwar als Energieträger für einen Antrieb dienen, bei denen aber keine chemische Energie freigesetzt wird, z. B. Wasser für eine Wasserturbine oder Uran für den Kernreaktor eines Nuklearantriebs

Arten

Man unterscheidet die Kraftstoffe meist an ihrem Aggregatzustand:

Flüssig

• Kerosin
• Benzin
  • Ottokraftstoff
  • Zweitaktgemisch (Ottokraftstoff mit Ölzusatz)
  • Leichtbenzin
• Diesel
  • Diesel
  • Marinediesel
  • Biodiesel
• Gasöl
• Schweröl
• Benzol
• und einige mehr

Gasförmig

• Erdgas
• Wasserstoff
• Ammoniak
• Biogas
• Methan
• Ethan
• Holzgas
• Deponiegas
• Blaugas
• und einige mehr

Fest

• Festbrennstoffe (zum Beispiel für Feststoffraketen)

Alternative Kraftstoffe

Als Alternative Kraftstoffe werden Kraftstoffe bezeichnet, die herkömmliche aus Mineralöl hergestellte Kraftstoffe ersetzen können. Hierbei wird unterschieden zwischen Kraftstoffen aus fossilen Energieträgern, solchen, die aus biogenen Energieträgern hergestellt sind und vorrangig unter Nutzung erneuerbarer Energien hergestellten Kraftstoffen.

Erdgas (CNG) ist seit den 1990er Jahren in Deutschland verfügbar. In Argentinien, Brasilien und Italien fahren bereits Millionen Automobile damit. Der Vorteil von Erdgas liegt wie bei Autogas in der gegenüber Benzin und Diesel saubereren Verbrennung. Natürliches Erdgas ist aber wie Benzin und Diesel auch ein klimaschädlicher Kraftstoff, da bei der Verbrennung CO2 entsteht. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan.

Methan und methanhaltige Kraftstoffe wie z. B. Erdgas, Biogas oder LNG sind als Alternativer Kraftstoff problematisch, da Methan sowohl bei der Herstellung als auch bei Lagerung, dem Transport und der Nutzung als Kraftstoff häufig unverbrannt als Treibhausgas in die Umwelt entweicht wo es etwa 20 bis 25 mal klimaschädlicher als CO2 ist. In Motoren kommt es häufig zum sogenannten Methanschlupf, bis zu ca. 2 % des Methans werden nicht verbrannt und treten als umweltschädliches Klimagas in die Atmosphäre. Auch wenn Methan, das mit Hilfe von erneuerbaren Energien hergestellt wird, eigentlich klimaneutral wieder in Energie umgewandelt werden kann, ist die Verwendung in Schiffsmotoren daher i. d. R. klimaschädlicher als Diesel. In manchen 2-Taktmotoren soll dieses Problem nicht auftreten. Auch bei der Herstellung von Methan basierten Kraftstoffen ist Methanschlupf problematisch und soll bis zu 8 % betragen. Ethanol-Kraftstoff (Bio-Ethanol) wird aus Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Weizen gewonnen. Seit 2005 wird es in Deutschland in geringen Mengen dem normalen Benzin beigemischt. In Brasilien fahren viele Automobile damit, siehe Flexible Fuel Vehicle. Verfahren zur Gewinnung von Cellulose-Ethanol aus pflanzlicher Biomasse befinden sich in der Entwicklung.

Biodiesel wird aus mit Methanol veresterten Pflanzenölen (vorwiegend Rapsöl) hergestellt. Da Biodiesel unter Umständen Dichtungen und Schläuche im Kraftstoffsystem angreift, müssen Motoren dafür geeignet sein bzw. umgerüstet werden. Biodiesel kann eine große Menge Wasser aufnehmen, was zu Korrosionsproblemen an der Einspritzausrüstung führen kann. Er dient auch als Beimischung zu normalem Dieselkraftstoff; der Anteil ist so begrenzt, dass auch nicht umgerüstete Dieselmotoren mit diesem Gemisch betrieben werden können. Nachteilig ist der hohe Aufwand zur Herstellung und die Ineffizienz bzw. Lebens-/Futtermittelkonkurrenz bei der Flächennutzung.

Biogas kann für stationäre Motoren und zu Heizzwecken in der Nähe der Erzeugeranlagen eingesetzt werden, aber auch Erdgasfahrzeuge können damit betankt werden. Für die Verwertung von Biogas ist der Methananteil am wichtigsten. Zu den Nachteilen siehe daher oben unter "Metan". BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid) wird auch unter dem Markennamen SunDiesel vertrieben. Er wird aus Biomasse, wie z. B. Holz oder Stroh gewonnen. BtL befindet sich noch in der Erprobungsphase und hat noch einen großen Forschungsbedarf. Bei ihm können alle Bestandteile der Pflanze genutzt werden und er besitzt eine hohe Energiedichte. Auch konventionelle Dieselfahrzeuge können damit fahren. Eine Gesamtenergiebilanz der BTL-Prozesse liegt derzeit noch nicht vor. Reine Pflanzenöle z. B. aus Raps, Sonnenblume oder Leindotter, auch „Pöl“ oder Naturdiesel genannt, können als Kraftstoff in Dieselmotoren eingesetzt werden. Insbesondere die höhere Viskosität gegenüber Dieselkraftstoff führt dazu, dass zum dauerhaften Betrieb von Dieselmotoren mit Pflanzenöl eine Anpassung des Kraftstoff- und Einspritzsystems notwendig wird. Pflanzenöle neigen unter Lufteinfluss zum Verharzen und können im Winter erstarren. Nachteilig ist die geringe Ausnutzung der Sonnenenergie und die Lebens-/Futtermittelkonkurrenz bei der Flächennutzung. Ein Vorteil von Pflanzenöl ist das geringe Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt (nicht wassergefährdend, kein Gefahrgut, ungiftig, hoher Flammpunkt).

Wasserstoff kann aus Wasser (H2O) mittels Elektrolyse gewonnen werden. Kostengünstiger ist allerdings die Gewinnung durch direkte chemische Umwandlung von Erdgas (Steam-Reforming), was allerdings klimaschädlich ist, da dann CO2 entsteht. Wasserstoff lässt sich mit Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen nutzen. Ammoniak kann als Kohlenstoff-freier Brennstoff mit elektrischer Energie hergestellt werden, u. a. in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen; Vorteil ist der flüssige Aggregatzustand bei geringer Kühlung bzw. der geringe Druck flüssigen Ammoniaks bei Raumtemperaturen. Anwendungen sind (Stand 2020) noch im Labormaßstab. In den USA wurden aber schon in den 1870er Jahren Straßenbahnen mit Ammoniak angetrieben und im Zweiten Weltkrieg in Belgien Busse. Sofern das Ammoniak aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, ist es ein klimaneutraler Kraftstoff. Der Vorteil gegenüber Wasserstoff liegt in der einfacheren Transportmöglichkeit. Der Nachteil in der potentiellen Giftigkeit, wobei Vergiftungen aufgrund des unangenehmen Geruchs selten vorkommen sollen, sowie im Ammoniakschlupf, also von geringe Mengen die ungenützt im Abgas verkommen, an dessen Beseitigung derzeit geforscht wird und der aber im Gegensatz zum Methanschlupf nicht klimaschädlich ist. Hersteller bieten auch bereits Ammoniakschlupfkatalysatoren an, die den Schlupf zu unschädlichen Produkten Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) oxidieren können sollen. Da Ammoniak sehr häufig z. B. als Dünge- oder umweltfreundliches Kältemittel eingesetzt wird, ist die Herstellung von Ammoniak weit verbreitet, derzeit sollen hiefür weltweit etwa 2 – 3 % des gesamten gewerblichen Energiebedarfs aufgewendet werden. Werden dabei keine erneuerbaren Energien eingesetzt, fallen pro Tonne Ammoniak etwa 1,5 Tonnen klimaschädliches CO2 an.

Holzgas war in den 1940er Jahren eine verbreitete Alternative unter dem Druck von akutem Kraftstoffmangel. In Finnland sind Fahrzeuge mit selbstgefertigten Holzvergasern auch heute noch anzutreffen. Bei dem Verfahren verschwelt normales Holz, oft Holzabfälle, unter Luftabschluss in einem Druckkessel oder zersetzt sich unter Luftmangelverbrennung. Die entstehenden brennbaren Gase (überwiegend Methan bei Luftabschluss, überwiegend Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Methan bei Luftmangelzersetzung) werden nach Kühlung und Reinigung einem Motor zugeführt. Stationäre Holzgasanlagen werden zu Heizzwecken und in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen eingesetzt.

Polyoxymethylendimethylether kurz OME (mit n zwischen 3 und 5) können als Dieselkraftstoffkomponenten oder vollständige Alternative zum Dieselkraftstoff verwendet werden. Sie bewirken dabei eine Minderung der Rußemissionen während des Verbrennungsprozesses. Die Produktionskosten für die Herstellung von OME sind vergleichbar mit der Herstellung von Dieselkraftstoff. Der Primärrohstoff zur Herstellung von OME ist Methanol welches sowohl aus konventionellem Erdgas, als auch regenerativ aus COx und Wasserstoff hergestellt werden kann. Auch andere Ether werden auf ihre Eignung in Kraftstoffen untersucht.

Unter dem Begriff Elektrokraftstoffe (engl. Electrofuels) wird eine Reihe von alternativen Kraftstoffen zusammengefasst, die mit Hilfe von elektrischer Energie hergestellt werden (z. B. Wasserstoff, Ammoniak, Methan). Um das Konzept wirtschaftlich zu machen, wird diese Energie sinnvollerweise auf regenerativem Weg, also z. B. in Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerken, erzeugt. Mittels Elektrolyse von Wasser wird Wasserstoff gewonnen, der entweder direkt als Kraftstoff (z. B. für Brennstoffzellenfahrzeuge) verwendet werden kann oder mit CO2 zu unterschiedlichen gasförmigen („Power-to-gas“) oder flüssigen („Power-to-liquid“) Kohlenwasserstoffen reagieren kann; auf diesem Weg lassen sich Kraftstoffe herstellen, die in konventionellen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Dies bietet die Möglichkeit, auch den Langstreckenverkehr weitgehend CO2-neutral anzutreiben, für den aktuell noch keine tragfähigen Elektrifizierungskonzepte bestehen.

Umweltschutz

Die bei der Verbrennung von Kraftstoffen freigesetzten Abgase bewirken Gesundheits- und Umweltschäden wie Sauren Regen und den Treibhauseffekt und somit die globale Erwärmung. Insbesondere Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide, Staub (Ruß), Schwefeldioxid und Kohlenwasserstoffe spielen dabei wichtige Rollen. Das in Vergaserkraftstoffen befindliche Benzol ist krebserregend. Viele Treibstoffe sind giftig und wassergefährdend. Art und Umfang der freigesetzten Schadstoffe sind im Wesentlichen von der Zusammensetzung des Kraftstoffes, der Bauart und der Betriebsweise des Motors sowie der Abgasnachbehandlung (Abgas-Katalysator, Rußfilter) abhängig.

In Deutschland regelt die Verordnung über die Beschaffenheit und die Auszeichnung der Qualitäten von Kraft- und Brennstoffen die Zusammensetzung und Qualität der Kraftstoffe, um die Luftbelastungen zu mindern. Die Verordnung regelt die Beschaffenheit von Otto- und Dieselkraftstoffen, Gasöl, Biodiesel, Ethanol, Flüssiggas, Erdgas, Biogas und Pflanzenölkraftstoff.