10.10.2018
ForschungUmwelt

Emissionen von Ethanolkraftstoffen im Straßenverkehr

E5-, E10- und E85-Kraftstoff im Flexible-Fuel-Vehicle

  • Abb. 1: Flexible-Fuel-Vehicle mit portablem Emissionsmesssystem (Quelle: TFZ)Abb. 1: Flexible-Fuel-Vehicle mit portablem Emissionsmesssystem (Quelle: TFZ)
  • Abb. 1: Flexible-Fuel-Vehicle mit portablem Emissionsmesssystem (Quelle: TFZ)
  • Abb. 2: Emissionsminderungspotential von E10 und E85 gegenüber E5 bei Straßenfahrten eines FFV mit und ohne Berücksichtigung des Kaltstarts und Vergleich zweier Auswertemethoden (Moving-Average Window-Methode (MAW), Mittelwertmethode (MW) [4].
  • Abb. 3: Partikelmasseemissionen eines FFV mit und ohne Berücksichtigung des Kaltstarts [4]

Seit den 1960er Jahren unterliegen Abgase zum Schutz von Luftqualität und Gesundheit einer gesetzlichen Regulierung [1]. Trotz stetig verschärfter EU-Abgasgrenzwerte konnte der Ausstoß von limitierten Emissionen wie Stickstoffoxiden oder Partikeln in den letzten 15 Jahren v. a. in Innenstädten kaum weiter reduziert werden [5]. Prüfstandsmessungen reichen zur alleinigen Bewertung der Emissionen eines PKW im täglichen Betrieb nicht aus, es müssen daher auch Daten bei Fahrten im realen Straßenverkehr mit Hilfe portabler Emissionsmessgeräte (PEMS) erfasst werden.

Neben gesundheitsschädlichen Emissionen gilt es auch Treibhausgase zu reduzieren. Dazu können beispielsweise Biokraftstoffe zu fossilen Otto- und Dieselkraftstoffen beigemischt werden. So wurden ab dem Jahr 2006 die Kraftstoffe E5, E10 und B7 eingeführt [3]. Daneben können Biokraftstoffe in höheren Konzentrationen nur in speziell angepassten Fahrzeugen verwendet werden. Zu diesen Fahrzeugen zählen sogenannte Flexible-Fuel-Vehicle (FFV), die mit einem Ethanolgehalt von bis zu 85% im Ottokraftstoff betrieben werden können [3].

Ethanolkraftstoffe und portable Emissionsmessung

Bei verschiedenen Emissionsmessungen mit unterschiedlichen Prüfstandszyklen konnten bereits geringere Emissionen beim Betrieb von Flexible-Fuel-Vehiclen mit hohen Ethanolgehalten im Ottokraftstoff gemessen werden [2, 6]. Um diese Erkenntnisse im realen Straßenbetrieb zu überprüfen und Realemissionsdaten eines FFV beim Betrieb mit Ethanolkraftstoffen zu sammeln, wurden die Emissionskomponenten Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Stickstoffoxide (NOx) und Partikelmasse (PM) mit Hilfe eines PEMS (Abb. 1) beim Betrieb des Fahrzeugs mit den Ethanol-Kraftstoffen E5, E10 und E85 unter Kaltstart- und Warmstartbedingungen erfasst und verglichen. Das Vorgehen richtet sich nach den EU-Vorgaben der Verordnungen 427/2016 und 646/2016. Die Auswertung der Rohdaten erfolgte zum einen nach der in den genannten Verordnungen vorgegebenen Moving-Average-Window-Methode (MAW), zum anderen über die Berechnung eines einfachen arithmetischen Mittelwerts (MW). Es wurden nicht nur die entfernungsspezifischen Emissionen in g/km bzw.

mg/km für eine ganze Messfahrt ermittelt, sondern auch die einzelnen Betriebsarten, die sich in Stadt-, Landstraßen- und Autobahnbetrieb aufteilen, näher betrachtet [4].

Entfernungsspezifische Kraftstoffemissionen im Vergleich

Beim Einsatz von E5- und E10-Kraftstoff zeigten sich zwischen beiden Kraftstoffen hinsichtlich ihrer CO-, CO2- und NOx-Emissionen meist keine signifikanten Unterschiede. Dahingegen ließen sich im Betrieb mit E85-Kraftstoff deutlich geringere Emissionen als bei den beiden anderen Kraftstoffen feststellen. Die Ergebnisse aus den beiden Berechnungsmethoden unterschieden sich nur in ihren Absolutwerten, jedoch nicht bezüglich der relativen Emissionsminderung. Der Betrieb mit E85-Kraftstoff brachte bei beiden Methoden deutlich geringere Emissionen als bei Verwendung der beiden anderen Testkraftstoffe hervor. Die größten Emissionsunterschiede zeigten sich unter Warmstartbedingungen. So wurden beim Einsatz von E85 gegenüber dem Betrieb mit E5 beim vorliegenden Testfahrzeug im Mittel um bis zu 43% geringere CO-Emissionen, 32% geringere NOx-Emissionen und 6% geringere CO2-Emissionen gemessen (Abb. 2) [4].

Bei den Partikelmasseemissionen war aufgrund großer Schwankungsbreiten in den Ergebnissen kein signifikanter Unterschied zwischen den einzelnen Kraftstoffen erkennbar. Tendenziell waren die PM-Emissionen beim Einsatz von E85-Kraftstoff geringer als bei den beiden anderen Testkraftstoffen (Abb. 3) [4].

Es wurden auch die Emissionen innerhalb der Betriebsarten Stadt, Landstraße und Autobahn verglichen. Dabei konnten im Landstraßenbetrieb die geringsten und im Autobahnbetrieb die höchsten Emissionen festgestellt werden. In allen Betriebsarten waren die Emissionen beim Einsatz von E85 am geringsten [4].

Ursachenforschung unterschiedlichen Emissionsverhaltens

Neben den Emissionsmesswerten wurden auch wichtige Fahrzeugsignale wie Motorlast, Motordrehzahl oder der Lambdawert über die On-Board-Diagnose-Schnittstelle des Fahrzeugs erfasst. Mit Hilfe dieser Daten und einer detaillierten Betrachtung der Einzelwerte wurde nach den Ursachen für das voneinander abweichende Emissionsverhalten des Fahrzeugs beim Betrieb mit den unterschiedlichen Kraftstoffen gesucht. Die geringeren Emissionen beim E85-Betrieb gegenüber dem Einsatz der anderen Kraftstoffe wurde maßgeblich von bestimmten Emissionsspitzenwerten hervorgerufen, die bei jeder Fahrt an den gleichen Streckenpunkten auftraten und unterschiedliche Ursachen haben. Bei den ersten beiden Streckenpunkten handelt es sich jeweils um eine Autobahnauffahrt bei der beschleunigt wurde und u. a. die Motorlast stark anstieg. In der dritten Fahrsituation erhöhte sich die Motorlast aufgrund einer längeren Steigung. Der Motorlastanstieg führte z. B. zu einem unterschiedlich stark absinkenden Lambdawert je eingesetztem Kraftstoff und somit zu unterschiedlichen CO-Emissionen. Im Fall der NOx-Emissionen ergaben sich aus der erhöhten Motorlast je nach Kraftstoffwahl unterschiedliche Verbrennungstemperaturen, die sich auf die Stickstoffoxidbildung auswirkten. In den einzelnen Betriebsarten konnte u. a. für die unterschiedlichen CO2-Emissionen eine jeweils andere Fahrweise je Betriebsart, wie z. B. mehr Stop-and-go-Verkehr im Stadtbetrieb als auf der Landstraße, als beeinflussendes Kriterium identifiziert werden. Die CO2-Emissionsunterschiede zwischen E85 und E10 gegenüber E5 sind Folge der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung der Kraftstoffe (C-H-O-Verhältnis). So steigt mit dem Ethanolgehalt im Kraftstoff auch der Sauerstoffgehalt im Treibstoff. Dies führt zu vermehrter Wasserbildung und geringeren CO2-Werten im Abgas [4].

Fazit und Ausblick

Sowohl bei Betrachtung der ganzen Fahrt als auch in den einzelnen Betriebsarten wurden beim Betrieb des Testfahrzeugs mit E85-Kraftstoff geringere CO-, CO2- und NOx-Emissionen als beim Betrieb mit E5 oder E10 gemessen. Dadurch konnten die bereits in anderen Studien bei Prüfstandsmessungen gewonnen Erkenntnisse bei diesem FFV im realen Straßenverkehr bestätigt werden. In weiteren Untersuchungen ist es erforderlich, Kraftstoffe mit einem Ethanolgehalt zwischen 10% und 85% an diesem und weiteren Fahrzeugen zu testen. Dadurch kann geklärt werden, welchen Beitrag Biokraftstoffe zur Reduktion von gefährlichen Schadstoffen wie Stickstoffoxiden oder Partikeln leisten können.

Danksagung

Die Autoren danken dem Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie für die Finanzierung des Projektes „Reale Abgasemissionen von Non-Road-Fahrzeugen und Maschinen-Inbetriebnahme eines neuen portablen Emissionsmesssystems (PEMS), Methodenevaluierung und Messungen“, in dessen Rahmen die oben vorgestellten Messungen durchgeführt wurden.

 

Autoren
Maximilian Frankl1, Georg Huber1, Edgar Remmele1, Josef Kainz2,3

Zugehörigkeit
1Biogene Kraft-, Schmier- u. Verfahrensstoffe, Technologie u. Förderzentrum im Kompetenz-zentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ), Straubing, Deutschland

2Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fakultät Wald und Forstwirtschaft, Professur für Energietechnik, Straubing, Deutschland

3Technische Universität München, Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit, Professur für Energietechnik, Straubing, Deutschland

Kontakt
Prof. Dr. Josef Kainz

Biogene Kraft-, Schmier- u. Verfahrensstoffe
Technologie u. Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ)
Straubing, Deutschland
 

Referenzen
[1] Basshuysen, R. V. (2013): Ottomotor mit Direkteinspritzung-Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenziale. 3., aktual. u. erw. Aufl.. Wiesbaden: Springer-Vieweg. ISBN: 978-3-658-01407-0. 476 Seiten
[2] Dardiotis, C.; Fontaras, G.; Marotta, A.; Martini, G.; Manfredi, U. (2015): Emis-sions of modern light duty ethanol flex-fuel vehicles over different operat-ing and envi-ronmental conditions. In: Fuel. Jg. 140. DOI: 10.1016/j.fuel.2014.09.085. Seite 531-540
[3] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) (2014): Biokraftstoffe. Gül-zow: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR). 60 Seiten
[4] Frankl, M. (2017): Realemissionen eines Flexible-Fuel-Vehicles beim Be-trieb mit ethanolhaltigen Kraftstoffen. Masterarbeit. TUM Campus Straubing: Technische Universität München. 123 Seiten.
[5] Minkos, A.; Dauert, U.; Feigenspan, S.; Kessinger, S. (2017): Luftqualität, vor-läufige Auswertung. In: UBA Hintergrund - Für Mensch & Umwelt, Dessau-Roßlau. Umweltbundesamt. 22 Seiten. Stand: Januar 2017
[6] Suarez-Bertoa, R.; Zardini, A.; Keuken, H.; Astorga, C. (2015): Impact of ethanol containing gasoline blends on emissions from a flex-fuel vehicle test-ed over the Worldwide Harmonized Light duty Test Cycle (WLTC). Fuel. Jg. 143. Seite 173-182

 

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Straubingen
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