Kraftstoffe

Kraftstoffe – Wichtige Eigenschaften

• Bei der Verbrennung kommt als Oxidator meistens der Luft-Sauerstoff zum Einsatz
• Bei Raketen wird aber teilweise auch ein eigener Oxidator verwendet, der aus verflüssigtem Sauerstoff, Lachgas oder Salpetersäure besteht
• Otto-Kraftstoff = Benzin oder Superbenzin, besteht aus Kohlenwasserstoffatomen mit 5–9 C-Atomen
• Diesel-Kraftstoff, besteht aus Kohlenwasserstoffatomen mit 10–22 C-Atomen

Kraftstoffe – Nomenklatur

Wie du bereits in der Definition gelernt hast, werden Kraftstoffe auch als Treibstoffe bezeichnet, denn deren Abgrenzung ist nicht einheitlich geregelt. Im Folgenden findest Du eine kurze Erläuterung beider Begriffe:

Kraftstoffe

Kraftstoffe sind normalerweise Stoffe, die zur direkten Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine benutzt werden. Der Begriff ist besonders geläufig im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik.

Treibstoffe

Treibstoffe sind normalerweise Stoffe, die zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels – selten auch für stationäre Maschinen – genutzt werden. Der Begriff "Kraftstoff" wird bei den Treibstoffen also einbezogen. Treibstoffe sind besonders gängig in der Schifffahrt und der Luft- und Raumfahrttechnik.

Keine Kraftstoffe

Keine Kraftstoffe sind normalerweise Stoffe, die zwar als Energieträger für einen Antrieb genutzt werden, bei denen jedoch keine chemische Energie abgegeben wird. Beispielsweise Uran für einen Kernreaktor oder Wasser für eine Wasserturbine stellen keine Kraftstoffe dar.

Kraftstoffe – Gewinnung und Zusammensetzung

Die konventionellen Kraftstoffe werden, wie Du bestimmt schon weißt, aus Erdöl gewonnen. Erdöl setzt sich aus Kohlenwasserstoffverbindungen zusammen, da es aus organischen Materialien unter Luftabschluss entsteht.

Prinzipiell bauen sich die Kraftstoffe Benzin und Diesel aus Gemengen von geraden, verzweigten und ringförmigen Kohlenwasserstoffatomen auf, lediglich ihre Anzahl an C-Atomen an den Kohlenwasserstoffatomen variiert: Benzin hat 5–9 C-Atome, Diesel wiederum 10–22.

Diesel besteht also aus größeren, längerkettigen Kohlenwasserstoffatomen als Benzin. Dies zeigt sich auch anhand der Siedetemperaturunterschiede und der Unterschiede der Viskosität der beiden Stoffe. Diesel hat eine 10-fach höhere Viskosität als Benzin. Daraus lässt sich schließen, dass die zwischenmolekularen Kräfte zwischen den Dieselmolekülen höher sind, als die zwischen den Benzinmolekülen.

Verfahren der Herstellung von Kraftstoff

Die klassischen Kraftstoffe werden, wie bereits gerade erwähnt, aus Erdöl, welches aus Kohlenwasserstoffverbindungen besteht, gewonnen. Der Anteil, der durch die Destillation von Erdöl entsteht, ist aber in keiner Weise für unseren heutigen Gebrauch ausreichen, weswegen sich andere Gewinnungsmethoden im Laufe der Zeit entwickelten.

Um ein paar Beispiele zur Herstellung von verschiedenen Kraftstoffen zu nennen im Folgenden eine Übersicht:

• Thermisches Cracken
• Reformieren
• Kohlevergasung
• Elektrolyse (für die Wasserstoffherstellung)
• Erdölraffinerie
• Fraktionierte Destillation
• Umesterung
• Alkoholische Gärung
• Biogasaufbereitung
• Methanolsyntheseusw.

Arten von Kraftstoffen

Du unterscheidest zwischen zwei Arten von Kraftstoffen – den Synthetischen und den Alternativen, bzw. Natürlichen. Im Folgenden lernst Du beide Arten genauer kennen.

Synthetische Kraftstoffe

Unter synthetisch versteht man in der Chemie, dass etwas künstlich hergestellt ist, genau das kann auch der Fall sein den Kraftstoffen. Mit der Bezeichnung "synthetisch" kann betont werden, dass der Kraftstoff künstlich durch chemische Verfahren, in diesem Fall die sogenannte Synthese, hergestellt wurde. Dabei wird im Prinzip eine höhere Verbindung aus mehreren niedrigeren Verbindungen angefertigt.

Zu den herkömmlichen Kraftstoffen, die Du an fast jeder Tankstelle tanken kannst, gehören Super, Super Plus, Super E10 und Diesel. Einige bieten aber zusätzlich auch Bio-Diesel oder Autogas an.

Willst Du diese Kraftstoffe herstellen, kannst Du verschiedene Verfahren einsetzen.

Die konventionellen Kraftstoffe jedoch werden meistens durch die Trennung des komplex zusammengesetzten Rohöls, das in einzelne Fraktionen geteilt wird, hergestellt. Dieses Verfahren kennst Du unter den Namen "Destillation" oder "Rektifikation". Dabei werden die Bestandteile auch nicht chemisch geändert.

Synthetische Kraftstoffe lassen sich untergliedern in flüssige, gasförmige und feste Kraftstoffe. Eine Auflistung dieser mit einigen Beispielen findest Du im Folgenden:

Flüssige Kraftstoffe

• Kerosin
• Benzin oder Superbenzin (Ottokraftstoff)
• Dieselkraftstoff
• Biodiesel
• Ethanol-Kraftstoff (darunter auch Bioethanol und Cellulose-Ethanol)
• Methanol
• Flüssigerdgas (auch LNG Liquified Natural Gas bezeichnet)
• Pflanzenölusw.

Gasförmige Kraftstoffe

• Erdgas
• Methan
• Biogas
• Wasserstoff (darunter auch Biowasserstoff)
• Holzgas
• Dimethyletherusw.

Feste Kraftstoffe

• Festbrennstoffe (beispielsweise für Antriebe von Feststoffraketen)

Alternative Kraftstoffe

Alternative Kraftstoffe sind für uns Menschen wichtig, weil der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid auf der ganzen Welt gesenkt werden muss und die fossilen Energieträger nur noch begrenzt zur Verfügung stehen.

Erdgas

Erdgas wird auch als CNG bezeichnet. Ausgeschrieben bedeutet das "Compressed natural gas". Seit den 1990er Jahren ist Erdgas in deutschen Regionen zum Tanken verfügbar. Auch in anderen Ländern, beispielsweise Argentinien, Brasilien oder Italien haben die Menschen den Nutzen in Erdgas als Treibstoff erkannt, sodass bereits Millionen Automobile damit fahren.

Biogas

Für stationäre Motoren (diese dienen dazu, mechanische Antriebsenergie für industrielle Anlagen und Maschinen herzustellen) und zu Heizzwecken, aber auch für das Tanken von Erdgasfahrzeugen, kann Biogas verwendet werden.

Ethanol-Kraftstoff

Dieser Kraftstoff wird auch Bioethanol genannt. Er wird aus Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Weizen hergestellt. Eine andere Verfahrensweise ist bereits in Entwicklung – die Gewinnung von Cellulose-Ethanol aus pflanzlicher Biomasse.

In Deutschland wird seit dem Jahr 2005 der Ethanol-Kraftstoff in geringen Mengen dem normalen Benzin beigemischt. In Brasilien fahren auch sehr viele Menschen mit dem Ethanol-Kraftstoff. Dort fahren sie mit sogenannten "Flex Fuel"-Autos, die mit Ethanol oder Methanol getankt werden.

Biodiesel

Biodiesel gewinnst Du, indem Du Pflanzenöl mit Methanol veresterst. Das Pflanzenöl wiederum erhältst Du unter anderem durch die Samen der Rapspflanze. Auch Altspeiseöl und Tierfette komme als Pflanzenöle infrage.

Biodiesel wird auch aus Klimaschutzgründen dem normalen mineralischen Diesel zugemischt.

Du musst jedoch darauf achten, dass die Schläuche und Dichtungen im Kraftstoffsystem des Autos gegen Biodiesel beständig sind. Sind sie es nicht, können diese, aufgrund dessen, dass sich Biodiesel wie ein leichtes Lösemittel verhält, unter Umständen angegriffen werden.

Ein weiterer Nachteil von Biodieseln ist, dass die Herstellung sehr aufwendig ist und Biodieselanlagen in Deutschland nicht allzu leicht zu finden sind. Ein weiterer nennenswerter Punkt ist, dass Biodiesel viel Wasser aufnehmen kann, was zu "zerfressen" der Einspritzausrüstung führen kann.

Pflanzenöl

Raps, Sonnenblumen oder Leindotter gehören zur Gruppe der reinen Pflanzenöle. Dabei sind "Pöl" oder Naturdiesel gängige alternative Namen. Pflanzenöle können als Kraftstoff in Dieselmotoren verwendet werden, jedoch weist der Naturdiesel eine höhere Viskosität gegenüber Mineraldiesel auf. Dies führt schließlich dazu, dass es nur in umgerüsteten Dieselfahrzeugen verwendet werden kann.

Als Vorteile des Pflanzenöl zeigen sich die CO₂-Neutralität, die Möglichkeit der dezentralen Herstellung, das geringe Gefahrenpotenzial, sowohl für den Menschen, als auch für die Umwelt, und die hohe Energiedichte. Zusammengefasst kannst Du sagen, dass Pflanzenöl nicht wassergefährdend, kein Gefahrgut und ungiftig ist. Es hat jedoch einen hohen Flammpunkt.

Wasserstoff

Wie der Name schon vermuten lässt, kannst du Wasserstoff aus Wasser (${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$) mit Hilfe der Elektrolyse herstellen. Durch das sogenannte "Steam-Reforming" ist es jedoch kostengünstiger. Dabei wird der Wasserstoff direkt durch die chemische Umwandlung von Erdgas gewonnen, als Nebenprodukt bildet sich aber dabei auch ${\mathrm{CO}}_2$. Wasserstoff kannst du mit Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen benutzen.

Holzgas

Holzgas zählte bereits in den 1940er Jahren als eine gängige Alternative zu herkömmlichem Kraftstoff dar. Zu dieser Zeit herrschte ein Kraftstoffmangel, weswegen eine Alternative wichtig war. Auch heute noch findest Du in Finnland Fahrzeuge mit selbstgemachten Holzvergasern.

Bei dieser Alternative wird hauptsächlich Holz oder Holzabfall unter Luftabschluss in Druckkesseln entweder verschwelt (also Holz entgast) oder unter Luftmangelverbrennung zersetzt. Gewonnen werden brennbare Gase – besonders Methan beim Luftabschluss und größtenteils Kohlenstoffdioxid, Methan und Wasserstoff bei der Luftmangelverbrennung. Diese Gase werden daraufhin gekühlt, gereinigt und danach in einen Motor gefüllt.

Elektroantrieb

In den letzten Jahren konnten die Kapazitäten und die Leistungsfähigkeit von elektrischen Energiespeichern (genauer gesagt Lithium-Ionen-Akkus) voranschreiten, sodass es mittlerweile Elektrofahrzeuge mit über 500 km Reichweite zum Kaufen gibt.

Beispielsweise Norwegen oder Österreich will in Zukunft sogar komplett auf Fahrzeuge mit Elektroantrieb umsteigen. Es besteht die Möglichkeit, dass Elektrofahrzeuge in naher Zukunft die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen wird, die aufgeführten alternativen Kraftstoffe stellen in diesem Fall eine Art "Übergangslösung" dar.

Vergleich von Kraftstoffen

Die Möglichkeit, einen Kraftstoff in einem Motor einzusetzen, hängt sowohl von den Brenneigenschaften ab, als auch von der Auslegung des Motors. Zudem hängt es von der Treibstoffzufuhr für die jeweiligen chemischen Eigenschaften des Treibstoffes ab. Es besteht auch die Möglichkeit sogenannte "Additive" beizumischen, diese beeinflussen ebenfalls die Möglichkeit, einen Treibstoff in einem Motor zu benutzen.