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Diesel-Abgastechnik erklärt

Kann denn Diesel sauber sein?

Diesel-Abgasreinigung mit SCR (Selective Catalytic Reduction) Foto: VW 12 Bilder

Aktuell steht nicht nur VW wegen seines Betrugs am Pranger - die gesamte Dieseltechnologie wird als Umweltsünde in Frage gestellt. Wie Diesel-Emissionen technisch gereinigt werden können.

29.09.2015 Kai Klauder

Zwei Hauptprobleme des Dieselmotors: Ruß und NOx

Bei dem aktuellen Abgas-Skandal, der durch die nachgewiesene Manipulation von Volkswagen ausgelöst wurde, geht es in erster Linie um die Stickoxide NOx. Und um es gleich zu Beginn zu sagen: Ja, ein gemäß aktueller gesetzlicher Grenzwerte sauberer Diesel ist möglich - wenn auch mit erheblichem Aufwand, der nicht immer CO2-neutral ist.

Kalifornien geht hier schon seit Jahrzehnten mit den härtesten Vorschriften voran - das wissen die Hersteller, und manche - wie Toyota - ziehen sogar die einfache Konsequenz, dass sie in diesem Bundesstaat überhaupt keine Dieselmotoren anbieten. Den CO2-Ausstoß ihrer Flotte reduzieren die Japaner stattdessen mit der ebenfalls nicht billigen Hybridtechnologie.

Aktuell erfolgt die Reinigung von diesel-Abgas in drei Schritten:

  • innermotorische Maßnahmen
  • Partikelfilter zur Rußreduktion
  • NOx-Reduktion durch Speicherkatalysatoren (DeNOx-Kat) oder / und additivbasierte Regeneration (Selective Catalytic Reduction (SCR) mittel Harnstoff-Einspritzung)

NOx-Reduzierung mit SCR - Additivbasierter Regeneration

Das derzeit effektivste Mittel zur Reduktion der Stickoxide im Dieselabgas, die das Hauptproblem der beanstandeten VW-Modell in den USA waren, ist das SCR-System entwickelt - die Selektive Katalytische Reduktion. Bei dieser Technologie wird kontinuierlich eine chemische Harnstofflösung (bekannt als "AdBlue") ins Abgas eingespritzt. Die Hydrolyse (Wasserstoffablösung am Harnstoff) lässt die Stickoxide zu Stickstoff (N2) und mit Sauerstoff zu Wasser (H2O) reagieren.

Für die Automobilkonstrukteure ergeben sich durch diese Technik allerdings einige Herausforderungen. Zunächst die Infrastruktur im Fahrzeug: So muss Platz für einen zusätzlichen Tank und die Zuleitung vorgesehen werden. Der Tank muss so dimensioniert sein, dass das Nachfüllen des zusätzlichen Betriebsmittels keinen häufigen Aufwand bedeutet. Zudem muss die Einspritzanlage und die gesamte Motorelektronik angepasst werden. Dass das nicht trivial ist, zeigt sich daran, dass der von den US-Umweltbehörden auch beanstandete Passat mit SCR unterwegs ist. Dass SCR in Kombination mit einem NOx-Speicherkat das Potenzial hat, den niedrigen US-Grenzwert von etwa 44 Mikrogramm NOx pro Kilometer zu erreichen, zeigt sich am guten Abschneiden eines BMW X5 Diesel in der US-Version bei den Fahrtests der US-Umweltbehörden.

0,1 Cent pro km, aber hohe Investitionen in Infrastruktur

Somit haben die Automobilhersteller einen erheblichen finanziellen Aufwand, um Dieselmotoren sauber zu bekomme. Massenhersteller wie Volkswagen könnten den Aufwand gut auf ihre großen Stückzahlen umlegen. Experten rechnen pro Fahrzeug mit Kosten von etwa 400 Euro pro Fahrzeug für SCR bei Motoren mit mehr als 2,0-Liter-Hubraum. Allerdings wenden die Hersteller die Technologie nur dort an, wo es die Grenzwerte erforderlich machen. So fährt beispielsweise der X3 20d in Europa nur mit einem NOx-Speicherkat, in den USA kommt SCR hinzu. In den USA sind die Stückzahlen der Diesel-Modelle aber extrem gering – erkennbar am Ausmaß des US-Rückrufs: 472.000 Fahrzeuge seit 2009 im Vergleich zu 9,6 Millionen weltweit.

Die Kosten für die regelmäßig nachzufüllende AdBlue-Flüssigkeit selbst sind dabei zu vernachlässigen: Sie liegen zwischen 75 Cent und einem Euro pro Liter - je nach Fahrzeug sind rund 750 ml bis 1,5 Liter pro 1.000 km nötig - das entspricht 7,5 bis 10 Cent pro 100 km (bei einem Liter AdBlue auf 100 km), also etwa einem Prozent der Spritkosten.

Lkw-Hersteller machen es vor

Im Lkw-Bereich ist der Einsatz von AdBlue mittlerweile Standard, um die Stickoxidwerte der Nutzfahrzeuge zu senken. Der AdBlue-Verbrauch liegt hier bei etwa 1,4 Liter auf 100 km, der Dieselverbrauch sinkt im Gegenzug um etwa 5 %.

Sollte der Trucker im Euro6-Lkw auf AdBlue verzichten wollen, dann drohen schwere Sanktionen durch die Bordelektronik, die stufenweise Leistung, Drehmoment und Tempo reduziert.

Interessant: Die Lkw in den USA haben diese Technik nicht, die Grenzwerte sind hier nicht so streng.

NOx-Speicherkatalysator

Der NOx-Speicherkatalysator lässt Stickstoffmonoxid (NO) mit Sauerstoff zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert und auf einer Barium-Nitrat-Schicht zwischengespeichert.

Durch NOx-Sensoren wird die Sättigung der Schicht kontrolliert und kann durch Anfettung des Gemischs mittels Rhodium - einer weiteren Komponente der Katalysator-Beschichtung - zu unschädlichem Stickstoff (N2) reduziert werden.

Der technische Aufwand dieses Systems ist geringer, die Implementierungs-Kosten sind aber wegen der im Kat verwendeten seltenen Materialien mit SCR vergleichbar. Der Betrieb ist zudem für den Kunden einfacher, weil das Nachfüllen von Harnstoff entfällt. Auch hier bleiben die Kosten aber vergleichbar, weil das „Abbrennen“ des NO2 Sprit kostet. Außerdem muss der Kat ausreichend dimensioniert werden, damit seine Leerung nicht zu oft fällig ist. Zudem können Fahrzustände mit hoher Last (Autobahn, bergauf) so viel NOx erzeugen, dass die Kapazität des Kats überfordert ist; bei größeren Motoren ist mit einem Mehrverbrauch von etwa 2 Prozent zu rechnen.

NOx-Ausstoß zum Teil 40-fach höher als Grenzwert

Diese Probleme dürften beim US-Jetta im Fahrtest der US-Umweltbehörden zu NOx-Werten geführt haben, die 40-fach über dem Grenzwert von 44 mg/km gelegen haben.

Weiteres Problem: NOx-Speicherkats brauchen Sprit mit niedrigem Schwefelanteil. Der liegt bei US-Diesel höher als in Europa. Schwefel im verbrennt zu Schwefeloxiden (SOx) im Abgas, die schwieriger aufzulösen sind als NOx. Das System braucht dazu zusätzliche Entschwefelungszyklen, die ebenfalls Sprit brauchen.

BMW mit fortschrittlichem Kombi-System

BMW kombiniert die beiden Technologien NSC (NOx-Speicherkat) und SCR (Selektive Katalytische Reduktion) bei Turbodiesel-Motoren, die in den Modellen BMW 3er, 5er, 6er, X3, X5 und X6 in den USA eingesetzt werden und unterbietet damit nicht nur laut Pressemeldung "die besonders anspruchsvollen Emissionsgrenzwerte in Kalifornien und anderen US-Bundesstaaten". In den Praxistests der US-Umweltbehörden (durchgeführt von der Universität von Virginia auf Straßen) hat der X5 35d x-Drive die Grenzwerte eingehalten.

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