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Benutzung des
Erdgases im Autoverkehr
Im XXI. Jahrhundert wird es not=
wendig
sein für die Verbrennungsmotoren (weiter VBM) einen anderen Kraftstoff zu
benutzen. Diese Notwendigkeit wird basieren auf:
der
Erdölerschöpfung im Schoße der Erde (der Weltvorrat des Erdöls 1974 wurde in
260 Mrd. T. geschätzt [1], die jährliche Ausbeute an Erdöl findet ca. 2 Mrd=
. T.
Im Jahr 2000 hat Deutschland 106,3 Mn T. Erdöl importiert [3, 4];
der
Bevölkerungsvermehrung auf der Erde (im Jahr 2000 waren 6,1 Mrd. Menschen, =
2043
schätzt man 9 Mrd. [4];
der
zunehmenden Erweiterung des Autoverkehrs (im Jahr 2000 bestand er weltweit =
aus
737 Mn Autos und man erwartet in den nächsten acht Jahren weiteren Wachstum=
auf
ca. 16 % jährlich. Am 1. Juli 1999 waren in Deutschland 50,609 Mn Autos
angemeldet [4] und
der
Notwendigkeit zur weiteren strengeren Begrenzung des Ausstoßes in die Atmos=
phäre
der Erde giftiger und schädlicher Komponenten.
Die letzte Forderung stellt vor d=
en
Forscher und Ingeneuere ein praktisch unlösbares Problem. Dieses Problem li=
egt
im Verbrennprozess des Motors. Wie es bekannt ist, werden in diesem Prozess
kohlen(C)- und wasserstoffhaltige (H2) Kraftstoffe (Benzin,
Petroleum, Diesel, Gase u.a.) in der Atmosphärenluft (O2; N=
2)
verbrannt. Das heißt, dass in diesem Verbrennprozess schon Kohlenoxid (CO),
Stickstoffoxide (NnOm) und verschiedene benzolartige =
Aldehyde
prädestiniert sind und man kann nur für die Minderung und Minimumgehalt die=
ser
Komponente in den Auspuffgasen des Motors sorgen. Bedauerlich ist, dass die
Forschungserreignisse schon nah zu diesem Minimum sind und weitere Forschun=
gen
und Modernisierung des Motors werden bei geringeren Ergebnissen seine
Herstellungs- und Betriebskosten immer wesentlich teurer machen. Deshalb ist
die Aktualität der Benutzung der alternativen und untraditionellen Kraftsto=
ffe
in den VBM unstreitbar.
Einer
von untraditionellen Kraftstoffen könnte der Wasserstoff (H2) se=
in.
Schon in den 30-40. Jahren des vergangenen Jahrhunderts gab es Versuchsmoto=
ren,
die mit Wasserstoff betrieben wurden. Aber mit der Massenherstellung den
flüssigen Erdölkraftstoffe ist der Wasserstoff für VBM als untraditioneller
Brennstoff geblieben. Das geschah wegen seiner schwächeren Betriebsdaten
gegenüber den Erdölbrennstoffen.
Anders sollte man den Wasserstoff=
als
Kraftstoff für die VBM in der Zukunft betrachten. Dieses Thema sollte man z=
ur Separatdebatte
stellen. Hier wird nur hingewiesen, dass im Fall der Benutzung des Wasserst=
offs
als Reagens und Sauerstoff als Oxydationsmittel im VBM keine Voraussetzungen
für die Bildung giftiger Komponente in den Auspuffgasen sind. Verlockend ist
auch der praktisch unerschöpfliche Vorrat des Wasserstoffes auf der Erde und
seine Ergänzung als Kraftstoff für VBM. Diese zwei für das Leben auf der Er=
de
wichtige Faktoren bieten dem VBM als Haupttriebwerk des Autoverkehrs eine
weitere Zukunft. Aber zuerst muss die Menschheit die so genannten
Übergangsperiode in der Entwicklung des Autoverkehrs noch überleben.
In der Tabelle 1 sind die
wesentlichen Kraftstoffe für die VBM, die Bewertung ihrer Aktualität und Be=
nutzung
im XXI Jahrhundert dargestellt. Sie sind als Haupt- und Alternativkraftstoff
benannt. Im bestimmten Zeitraum sollte man als Hauptkraftstoffe die versteh=
en,
die eine überwiegende Bedeutung für VBM haben und als Alternativkraftstoffe
(wegen ihres Defizits) - solche, die nur in extremahlen Fällen benutzt werd=
en
oder in der Forschungs- und Prüfungsstadien sind.
Tabelle1.Die wesentlichen Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren
und ihre Benutzung im XXI Jahrhundert
(Persönliche
Forschungsdaten)
|
Die Benennung des Kraftstoffes, seine Aktualität und die Perspektive seiner Benutzung im Zeitraum |
||
|
Laufende Periode bis 2020 |
Übergangsperiode (2020-2050) |
Nachfolgende Periode (2050-2100) |
|
-
Benzin ................... &#=
8776; -
Petroleum .............. W=
76; -
Diesel .................... &=
#8776; |
-
Erdgas .................▲ ▲▲ -
Flüssiggas ............ ▼▼ -
Methanol ............... ▲▲ -
Biokraftstoff .......... ▲▲ -
Binärkraftstoff ....... ▲▲ |
-
Wasserstoff ....... ▲&#=
9650;▲ -
Erdgas ................. ≈ -
Binärkraftstoff
(Wasserstoff oder Erdgas + Alternativ- kraftstoff .............. ▲=
;▲ |
|
Alternativkraftstoff: -
Flüssiggas ..............▼ -
Erdgas ................... ▲ -
Methanol ................ ▲ - Binärkraftstoff ......... ?<= o:p> -
Biokraftstoff ............ ?=
-
Wasserstoff ............ ? |
-
Wasserstoff .......... ▲=
; -
Benzin ................... ▼▼ -
Petroleum ............. ▼▼ -
Diesel ................... ▼▼ -
Äthanol ................. =
650; -
Flüssigammoniak … ▲ |
-
Methanol ................ ≈ -
Äthanol ................... ≈ -
Biokraftstoff ............ ≈ -
Flüssigammoniak .. ▲ |
|
- Kraftstoffzellen ........ ?<= o:p> -
Elektrizität .............. ▲ -
Druckluft ................. ? |
-
Kraftstoffzellen ......... ▲ -
Elektrizität ................ ▲ -
Druckluft .................. =
▲ |
-
Kraftstoffzellen ......... ▲ -
Elektrizität ................ ▲ -
Druckluft .................. =
▲ |
Bemerkungen: 1. „Andere Energiearten“ haben keinen
unmittelbaren Bezug zu den
Verbrennungsmotoren.
2, Je=
der
Kraftstoff ist mit einem Zeichen auf aktuelle und perspektive Benutzung in =
e=
inem
Zeitraum bewertet. Diese Zeichen sind:
≈ - stabile;
&#=
9660;▼
- wägbarabnehm=
ende; ▲▲▲
- aufstiegende (wird hauptsächlich benutzt) =
und ? - wird erforscht u= nd experimentiert. <= o:p>
Aus
der Tabelle 1 findet man heraus, dass die Übergangsperiode im Zeitraum 2020=
-50
liegt. Diese Übergangsperiode ist mit folgenden Unterscheidungsmerkmalen zu
kennzeichnen:
Ab
2020 wird man den Defizit von flüssigen Erdöl- und Synthetikbenzin für VBM
spüren und ab 2050 kann man mit Benzin nur noch die Chemieindustrie versorg=
en;
Die
Benutzung der flüssigen Gase (Butan-Propan) in den VBM wird in bedeutendem =
Maße
vermindert, weil sie die beiläufigen Gase der Erdöl- und Gasindustrie sind =
und
man kann mit ihnen nur noch die Chemieindustrie versorgen;
Die
Autoindustrie und Autoverkehr werden bis Ende dieser Periode noch nicht ber=
eit
sein auf den untraditionellen Kraftstoff überzugehen (man hoffe, dass es der
Wasserstoff ist!). Diesen Übergang sollte man stufenweise durchführen und s=
chon
ab heute;
Um
schwerwiegende Schwierigkeiten, die unbedingt wegen des Mangels des alten u=
nd
neuen Kraftstoffes in der Übergangsperiode vorhanden sind, zu vermeiden, so=
llte
man in diesem Zeitraum den Erdgas als Hauptkraftstoff für VBM vornehmen.
In der Tabelle 2 sind die wesentli=
chen
physik-chemischen und betrieblichen Eigenschaften einiger Kraftstoffe für d=
ie
VBM dargestellt. In dieser Tabelle (wegen ihrer Kürzung) sind von flüssigen
kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen nur Benzin (C8H18)
und von gasförmigen - Methan (CH4) und Wasserstoff (H2)
dargestellt. Unten wird das Erdgas mit Methan verglichen, weil er im Erdgas=
bis
zu 97% enthalten ist.
T a b e l l e 2. Die wesentlichen
physik-chemischen und
betrieblichen Eigenschaften ein=
iger
Kraftstoffe
für Verbrennungsmotoren<=
/b>
|
|
(C 8 H 18=
) |
|
(H 2) |
|
Molmasse, Kg/Mol .................................................................<= o:p> |
114,5 |
16,06 |
2,02 |
|
Dichtigkeit
bei 15 o C und im: - flüssigen und, Kg/L
........................................................... - gasförmigen Zustand, Kg/m 3
.......................................... |
0,720 5,080 |
0,420 0,717 |
0,031 ~0,09 |
|
Relative
Dichtigkeit im gasförmigen Zustand
(Luftdichtigkeit =3D 1) .............................................. |
3,940 |
0,554 |
~0,07 |
|
Siedepunkt,
o C .....=
........................................................... |
>35 |
-161,7 |
-252,7 |
|
Kritische
Temperatur, o C .....................................=
........... |
195 |
-82,61 |
-239,8 |
|
Unterenbrennwärme,
MJ/Kg ............................................... |
44,00 |
49,75 |
120,0 |
|
Brennwärme
des stöchiometrischen Gemisches, MJ/m 3 … |
3,553 |
3,219 |
3,1 |
|
Kraftstoffäquivalent
zu 76 L Benzins: - Volumen, L
................................................................ - Masse, Kg
................................................................. - Gesamtgewicht (Kraftstoff und =
Tank)
, Kg ................ |
76 53,1 68 |
415
* 47,2 * 500 |
275
* * 19,5
* * 136 |
|
Entzündungstemperatur,
o C .....................................=
...... |
470 |
590 |
853 |
|
Grenzwert
der Entzündbarkeit in der
Atmosphärenluft, %: - unterer
................................................................. - oberer
................................................................. |
1,50 6,00 |
5,00 15,00 |
9,40 66,50 |
|
Diffusionsgrad
in der Atmosphärenluft, x10=
4 m2/s ........ |
0,079 |
0,20 |
0,64 |
Bemerkungen: * - Erdgas im komprimierten Zustand,
= * * - Wasserstoff im verflüssigen Zustand,<= o:p>
Die
Analyse der Tabelle 2 zeigt, dass die physik-chemischen und betrieblichen
Eigenschaften des Methans zwischen den analogischen Daten des Benzins und
Wasserstoffs liegen und selbst seine Explosionsfähigkeit ist dem Wasserstoff
näher. Dieses könnte der Grund sein, dass man zuerst den Autoverkehr mit Er=
dgas
betreibt, sollte bestimmte Erfahrungen akkumulieren und dann könnte man mit
wenigeren Schäden und Schwierigkeiten ihn auf Wasserstoff umbauen.
Aber
das ist nicht der vorwiegende Grund zum Umbau des Autoverkehrs auf Erdgas. =
Der
Hauptgrund ist folgender:
die
Weltvorräte des Erdgases wird auf 14x1013 Mrd. m3
geschätzt [1] oder ca. 1x1011 Mrd. T. (zum Vergleichen: der
Weltvorrat des Erdöls zurzeit ist ca. 200 Mrd. T.);
die
Ausbeute-, Raffinierungs- und Lieferungskosten des Erdgases sind bedeutend
niedriger als diese Kosten bei flüssigen Erdöl- und Synthetikkraftstoffen,
besonders beim Wasserstoff und
der
Automotor, der mit Erdgas betrieben wird, stößt bedeutend weniger Kohlendio=
xid
(CO2), Kanzerogenen und Kohlenoxid (CO) als der Benziner aus. Zum
ersten - wegen der Elementareigenschaft des Erdgases: C=3D0,750 und H=3D0,2=
50 (zum
Vergleichen, beim Benzin: C=3D0,855 und H=3D0,145), zum zweiten - Nichtvorh=
andensein
in ihm der benzolischen Verbindungen und zum dritten - wegen verbesserter
Gemischbildung und Gemischverteilung per Zylinder des Motors. Der
Kohlenoxidgehalt in den Auspuffgasen des Gasautos zum Vergleich des Benzine=
rs
wird um eine Ordnungszahl geringer.
Die Benutzung des Erdgases im
Autoverkehr hat auch seine Mängel. Diese Mängel hängen von der geringeren
Energieintensität des stöchiometrischen Methangemisches (3,219 MJ/m3,
siehe Tab.2) zum Vergleich des Benzingemisches (3,553 MJ/m3) ab,
wenn auch die Brennwärme des Benzins (44,00 MJ/Kg) um 11,56 % weniger als
dieses beim Methan ist. Dieser Umstand verringert die Leistung des Gasmotors
zum Vergleich des Benziners um 9,4 %. Bei gleichen mechanischen Verlusten w=
ird
die Effektivleistung des Gasmotors noch um 4-5 % niedriger und bei der
Erwärmung des Gemisches im Ansaugrohr - zusätzlich noch 3-5 %. Dann bekommt
man, dass man beim Umbauen des Benzinmotors zum Gasmotor 16-20 % seiner Eff=
ektivleistung
verliert [2]. Aber wenn man den Verdichtungsgrad des Motors auf 2 Einheiten
(das ist möglich), den Frühzündungswinkel auf 10 Grad der Kurbelumdrehung
erhöht und auf die Erwärmung des Gemisches verzichtet, dann kann man die
Leistung des Motors nicht nur kompensieren, sondern sie geringfügig erhöhen=
.
Der andere Mangel des mit Erdg=
as
betriebenen Motors ist, dass das eigene Gewicht des Autos sich bedeutend
erhöht, was die Dynamik und Tragfähigkeit des Autos verringert. Dieses kann=
man
in der Tabelle 2 bemerken, wenn man die äquivalenten Daten analysiert. Zum
Beispiel, nimmt man einen Tank von 76 L, kann man 53,1 Kg Benzin tanken und=
das
Gesamtgewicht des Tanks und Benzins beträgt 68 Kg.
Um die gleiche Arbeit mit dem G=
asauto
zu schaffen, muss man das Auto mit Ballonen von 415 L. ausrüsten und bei 20=
MPa
Druck kann man 47,2 Kg Erdgas kompressieren, aber das Gesamtgewicht wird 500
Kg, was 7,35 Mal schwerer ist als im Fall des Benzins. Aber beim entspreche=
nden
Stand der Kryotechnik kann man die Differenz auf 1,5-2 Mal verringern. Bis
dahin wird die Tragfähigkeit des Gasautos mit einem universellen
Speisungssystem um 15-20 % weniger als die Tragfähigkeit des Benzinautos und
die Beschleunigungszeit des Pkws verlängert sich auf 25-30 % [2]. . Der
wichtigste Mangel des mit den Hochdruckballonen ausgerüsteten Gasautos ist =
die
erhöhte Explosionsfähigkeit. Dieses Thema verdient im Autoverkehr eine beso=
ndere
Aufmerksamkeit und ihm wird ein spezieller Artikel "Sicherheitsmaßnahm=
en
beim Betrieb des Gasballonautos" gewidmet.
Die benutzten Quellen:
[1].
SMALL F.W. und ARSENOW E.E.
Perspektive Kraftstoffe f=
ür
Autos. Moskau, "Verkehr", 1979.
[2].
GRIGORHEW E.G., KOLUBAEW B.D. und an..
Gasballonautomobi=
le.
Moskau. "Maschinenbau", 1989.
[3].
UMWELTBUNDESAMT
Daten zur Umwelt.
Erich Schmidt Verlag, 2000.
[4].
dpa - Deutsche Presse-Agentur
|
|
|
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