Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  1

2  Primärene rgieträger  2

2.1  Zeitliche Verfügbarkeit  2

2.2  Förderung und Verbrauch von Flüssiggas  3

3  Flüssiggas  6

3.1  Entwicklung der LPG-Fahrzeug-Technik  6

3.2  Eigenschaften von LPG  7

3.3  LPG-Bestandteil Propan  8

3.4  LPG-Bestandteil Butan  9

3.5  Brenneigenschaften  9

3.6  Vergleich mit anderen Kraftstoffen  11

3.6.1  Limitierte Emissionen  11

3.6.2  Nichtlimitierte Emissionen  15

3.6.3  Kaltstart  17

3.6.4  Betankung  17

3.6.5  Kosten  18

3.6.6  Vor - und Nachteile  19

4  Gaszufuhr in Fahrzeug-Ottomotoren  21

4.1  Speicherung und Betankung  21

4.1.1  Fahrzeugtanks  21

4.1.2  Betankung an Tankstellen  22

4.2  Flüssiggas-Systeme  23

4.2.1  Die erste Generation  23

4.2.2  Die zweite Generation  24

4.2.3  Die dritte Generation  25

4.2.4  MEGI/MEGA-System  26

4.2.5  Sequentielles zylinderselektives System  27

4.2.6  Hochdruck-Direkteinspritzung  28

4.2.7  LPI-System  28

4.3  Motoren-Beispiele  30

4.3.1  Ford  30

4.3.2  Peugeot  30

4.3.3  Renault  31

4.4  Flüssiggas-Fahrzeuge  31

5  Stapler-Vergleich  34

6  Betriebsparameter  37

6.1  Tankgröße  37

6.2  Speicherdruck  37

6.3  Einblasdruck  39

6.4  Einblastemperatur  40

7  Messungen  41

7.1  Messgeräte  41

7.1.1  Thermometer  41

7.1.2  Manometer  42

7.1.3  Lambda-Scanner  43

7.1.4  Thermo-Scanner  44

7.2  Messstellen  45

8  Zusammenfassung  46

9  Literatur  47

10  Anhang  53

Abkürzungen

1 Einleitung

Bei den Motoren, die in dieser Arbeit besprochen werden, handelt es sich um flüssiggas-betriebene Ot-to-Motoren. Flüssiggas ist ein Propan/Butan-Gemisch und findet neben der Nutzung in Campingkochern und Gasheizungen hauptsächlich als Fahrzeug-Kraftstoff seine Anwendung. Wegen der geringeren Schadstoff-Emissionen von Flüssiggas im Vergleich zu Benzin- oder Diesel-Kraftstoff, wird es vielfach für Flurförderzeuge in Lagerhallen und in der Lebensmittel-Industrie verwendet. Dank der geringeren Kraftstoffkosten in Relation zu Benzin und Diesel findet Flüssiggas auch zunehmend bei Pkw, leichten Nutzfahrzeugen und Bussen Verbreitung.

Als Auftakt dieser Arbeit soll eine kurze Darlegung die momentane Situation bei den Energie -reserven verdeutlichen. Die Betrachtung der Vorräte von Primärenergieträgern sowie des Energieverbrauchs kann helfen, die Notwendigkeit der Suche nach alternativen Energiequellen zu verstehen. Da sich diese Arbeit hauptsächlich mit Flüssiggas als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe befasst, bedarf es einer eingehenden Untersuchung der Eigenschaften dieses Kraftstoffes im Vergleich zu Benzin und Diesel. Zu so einem Vergleich gehört u.a. auch die Analyse der Schadstoff-Emissionen und der Speichermedien. Des weiteren werden gemäß der Aufgabenstellung die Anforderungen an die gesamten Flüssiggas-Systeme dargelegt. Dazu zählt bei mobilen Antrieben die gesamte Kraftstoffzufuhr vom Tank bis zur Brennkammer inklusive der elektronischen Steuerung.

Unter den LPG-betriebenen Fahrzeugen nehmen die Flurförderzeuge eine große Gruppe ein. Am Beispiel von Gabelstaplern sollen Otto-Motoren (LPG-Betrieb) mit Diesel- und Elektro-Antrieben verglichen werden. In Verbindung mit praktischen Versuchen an einem Flüssiggas-Motor für einen Gabelstapler soll das Startverhalten untersucht werden.

Die Problematik liegt bei Flüssiggas im Aggregatzustand des Kraftstoffes bei geringen Temperaturen. Im Gegensatz zu Benzin oder Diesel wird Flüssiggas dem Motor gasförmig zugeführt. Es wird zwar unter Druck verflüssigt in der Gasflasche gespeichert, wird aber im Druckregler verdampft und als Gas bis zur Brennkammer gefördert. Da der Gasdruck mit abnehmenden Temperaturen sinkt, besteht die Gefahr von Förderengpässen. Außerdem kann es passieren, dass der Kraftstoff hinter dem Druckregler wieder kondensiert oder das LPG im Druckregler aufgrund der Verdampfungskälte vereist.

1

2 Primärenergieträger

2.1 Zeitliche Verfügbarkeit

Die Energieversorgung auf der gesamten Erde wird größtenteils über Öl, Gas, Kohle und Kernenergie gedeckt. Die verschiedenen Energieträger weisen unterschiedliche Merkmale in Hinsicht ihrer zeitlichen Verfügbarkeit, ihrer Förderung und ihres Emissionsverhaltens auf. Sollen unterschiedliche Energieträger verglichen werden, stellt sich immer die Frage nach der Umweltbilanz der gesamten Energieumwandlungskette. Die Umwandlungskette umfasst die Förderung, die Speicherung, den Transport, die Aufbereitung, die Nutzung sowie die etwaige Entsorgung. Da ein dementsprechender Vergleich von Flüssiggas mit anderen Energieträgern den Umfang dieser Arbeit sprengen würde, wird im folgenden lediglich auf einige Aspekte eingegangen wie z.B. die zeitliche Verfügbarkeit.

Die Primärenergie ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn natürliche Energieträger verbrannt („verbraucht“) werden. Zu diesen Energieträgern gehören u.a. die fossilen Energieträger Braunkohle, Steinkohle, Mineralöl und Erdgas.

Abb. 1: Primärenergie-Verbrauch [http://www.ruhrgas.de/deutsch/, 1999]

In Deutschland wurden im Jahr 1998 insgesamt 86 % des gesamten Energieverbrauchs durch fo ssile Energieträger gedeckt (s. Abb. 1). Der Anteil von Mineralöl lag bei rund 40 %, der von Erdgas bei etwa 21 %. Flüssiggas nahm etwa einen Anteil von 1 % ein. Verglichen mit dem Vorjahr nahm bei fast allen Energieträgern der Verbrauch ab, bei Braunkohle und Kernenergie beispielsweise jeweils um 5 %. Nur bei Erdgas (+ 0,4 %) und bei sonstigen (+ 7,2 %) nahm der Anteil zu.

2

Die Ölreserven gemäß der Studie vo n Petroconsultants (1996):

Diese Zahlen zeigen, dass im Jahr 1996 fast die Hälfte des Erdölvorkommens aufgebraucht war. Jetzt um das Jahr 2000 herum ist der sogenannte „mid-depletion point“ erreicht. Das ist der Zeitpunkt, zu dem die Hälfte des insgesamt förderbaren Öls tatsächlich bereits gefördert wurde. Einige klassische Erdölförderländer (z.B. USA, Deutschland, Rumänien) haben ihren Förder-höhepunkt seit einiger Zeit hinter sich. Ihre Förderung nimmt stetig weiter ab. Die meisten OPEC -Länder hingegen haben diesen Punkt noch nicht erreicht.

Die vorhandenen Reserven dieser Mineralölvorkommen sowie aller anderen fossilen Energieträger ist begrenzt. Somit muss überlegt werden, welcher Energieträger sich für den Ge- bzw. Verbrauch in welchem Bereich am besten eignet und ob nicht als Übergang andere Medien die gleiche Funktion erfüllen können. Mineralöl gilt als sogenannter „hochwertiger Energieträger“, weil aus Öl auch andere Produkte erzeugt werden können, für die es z.T. bislang keine Alternativen gibt (z.B. Kunststoffe, Medikamente usw.).

Bei Flüssiggas und Erdgas handelt es sich ebenfalls um endliche, fossile Primärenergieträger. Der Vorteil dieser Gase z.B. gegenüber Öl besteht jedoch darin, dass sie als Übergangsprodukte fungieren können für eine eventuell später einmal zu realisierende Wasserstoffwirtschaft. Jetzt gesammelte Erfahrungen könnten in einigen Jahren bei der Anwendung von Wasserstoff als Energieträger genutzt werden. Langfristig ist es sicherlich notwendig, einen gänzlich neuen Weg der Energieversorgung zu finden.

2.2 Förderung und Verbrauch von Flüssiggas

Flüssiggas ist kein Produkt, das wie Erdöl oder Kohle gefördert wird. Es ist eher ein Begleit-produkt, dass bei der Rohölverarbeitung in Raffinerien und bei der Erdöl- bzw. Erdgasförderung entsteht. Bei der Gasförderung wird nasses Roh-Erdgas in Kondensat und trockenes Erdgas getrennt. Dem trockenen Erdgas wird danach Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff entzogen, so dass hauptsächlich Methan (CH 4 ) übrigbleibt. Das Kondensat wird zu Propan und Butan weiterver-arbeitet. Da die verschiedenen Gase unterschiedliche Siedepunkte besitzen, können sie problemlos durch die Variation von Druck und Temperatur getrennt werden. Durch Destillation werden auch Komponenten wie Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser herausgefi ltert.

3

Vor Jahren wurden die bei der Förderung und Verarbeitung freiwerdender Gase noch größtenteils abgefackelt, d.h. ihre Energie wurde ungenutzt freigesetzt. Dies ist zum Teil heute immer noch gängige Praxis. Der nutzbargemachte Anteil ist jedoch bereits enorm angestiegen.

Als weitere Quellen zur Flüssiggas-Gewinnung eignen sich Krackgase, die bei der Verarbeitung von Schwerölen (Kracken) entstehen. Außerdem fällt Flüssiggas als Nebenprodukt bei etlichen chemischen Industrie-Prozessen an.

Tab. 1: Der Flüssiggas-Absatz in Deutschland nach Angaben des Mineralölwirtschaftsverbandes

[http://www.langegas.com, 1999]

Der Absatz von Flüssiggas in allen Wirtschaftsbereichen ist 1997 gegenüber dem Vorjahr um me hrere Prozente zurückgegangen (s. Tab. 1). Bei einer detaillierteren Auflistung der Bereiche wird deutlich, dass lediglich die Sparte „Autogas“ (Flüssiggas für Fahrzeugantriebe) einen geringen Anstieg (+3,0 %) zu verzeichnen hat. [http://www.langegas.com, 1999]

Beim weltweiten Flüssiggas-Verbrauch (s. Abb. 2) liegt Nord-Amerika mit knapp einem Drittel des Gesamtverbrauchs als größter Konsument an der Spitze, gefolgt von Asien mit 26 % und West-Europa mit 16 %.

Abb. 2: Flüssiggas-Verbrauch [http://www.langegas.com, 1999]

4

Der Energieverbrauch nimmt von Jahr zu Jahr mit dem Bevölkerungswachstum zu. Die Internationale Energie-Agentur rechnet in ihrem World Energy Outlook 1995 [Bundesministerium für Wirtschaft,

1998] mit einer Zunahme des Verbrauchs an Erdöl, Kohle und Erdgas um insgesamt mehr als ein Drittel bis zum Jahre 2010.

In Anbetracht des steigenden Verbrauches und der geringer werdenden Energiereserven sollte Mineralöl nicht verschwendet werden, sondern nur dort zum Einsatz kommen, wo es tatsächlich erforderlich ist.

5

3 Flüssiggas

3.1 Entwicklung der LPG-Fahrzeug-Technik

• Seit 1860 wird LPG als transportable Energiequelle genutzt.

• 1913: Das erste Auto mit Propan als Kraftstoff fährt.

• 1927: Der Jahresverbrauch liegt in den USA bei über 4 Millionen Litern.

• 1946: Der Jahresverbrauch liegt in den USA bei 60 Millionen Litern.

• Bis 1960 gibt es nur Flaschengas in Deutschland.

• 16. Mai 1997: Der erste Lkw mit Autogas wird in den Niederlanden in Betrieb genommen.

Tab. 2: Fahrzeug- und Tankstellen-Entwicklung

6

3.2 Eigenschaften von LPG

Flüssiggas wird international als Liquefied Petroleum Gas (LPG) bezeichnet. Im deutschsprachigen Raum werden anstelle von Flüssiggas auch häufig die Begriffe „Treibgas“ und „Autogas“ benutzt. LPG besteht aus leicht verflüssigbaren Kohlenwasserstoff-Verbindungen (C n H m ) mit drei oder vier Kohlenstoff-Atomen (C). Es kann sich dabei um eine einzelne Verbindung oder um eine Mischung me hrerer Verbindungen handeln.

Die Hauptbestandteile von Flüssiggas sind:

Propan:

Propen (Propylen): Butan: Buten (Butylen): Propan und Butan sind kettenförmige, gesättigte Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Die ungesättigten Kohlenwasserstoffe Propen und Buten weisen eine Kohlenstoff-Doppelbindung auf und sind hinsichtlich ihres Anteils in den Spezifikationen für Flüssiggas begrenzt.

Das Mischungsverhältnis von Propan und Butan ist in Europa unterschiedlich. In Deutschland und Großbritannien hat Propan meist einen Anteil von 95 Vol. -% (s. Abb. 22 im Anhang,). In Frankreich wird hingegen eine 45 : 55-Mischung (Propan : Butan) bevorzugt. In sehr warmen Landesteilen überwiegt der Butan-Anteil. Die Gaslieferanten variieren die Zusammensetzung nach der Umgebungs -temperatur. Das Gemisch kann sich demnach je nach Ort und Jahreszeit unterscheiden.

Flüssiggas ist im Normalzustand ein gasförmiges Brenngas, dass unter Druck verflüssigt werden kann. Die Abhängigkeit von Druck und Temperatur wird in der Dampfdruckkurve dargestellt. Flüssiggas hat in Deutschland bei T = 20 °C einen Druck von p = 8 bar. Es besitzt flüssig nur 1/260stel des gasförmigen Volumens. Das bedeutet, dass aus 1.000 Litern Gas etwa 4 Liter Flüssiggas werden.

Auszug aus Tab. 25 Propan (s. Anhang)

*: Nm³ = Normkubikmeter

Im Gegensatz zu Erdgas oder Wasserstoff, die leichter als Luft sind, weist Flüssiggas einen Dichtequotienten zu Luft von ρ LPG / ρ Luft = 1,55 auf (s. Tab. 25 im Anhang). Dies bedeutet, dass Flüssiggas „herunterfällt“. Es sammelt sich am Boden und bedarf geeigneter baulicher oder lüftungstechnischer Maßnahmen, damit sich keine erhöhten Flüssiggasmengen ansammeln.

7