Dieselmotor – Stickstoffoxid / Feinstaub: Fakten und Hintergründe in einem ideologisch aufgeheizten Streit


Dieselmotor: Tatsachen, die in der Diskussion um Grenzwerte oft übersehen werden. Wären durch die Elektromobilität die Umweltprobleme gelöst? Sicher nicht. Ein Hintergrundbericht von Dipl.-Ing. STD Jürgen Göbert, zu den Zusammenhängen von Werten, Entsorgung, Recycling, Entwicklung und Produktion – und wie dies alles mit der Umwelt zusammenhängt.

Dieselmotot – Die Entwicklung hinsichtlich der Schadstoffe NOx und Feinstaub ist deutlich rückläufig. Quelle: Bundesumweltamt, Z 4 Fachbibliothek Umwelt und Bürgerservice
Die Entwicklung hinsichtlich der Schadstoffe NOx und Feinstaub ist deutlich rückläufig. Quelle: Umweltbundesamt, Z 4 Fachbibliothek Umwelt und Bürgerservice

Dieselmotor – Beitrag zur Versachlichung der Diskussion

Von Dipl.-Ing. Jürgen Göbert

Generell ist die Entwicklung hinsichtlich der Schadstoffe NOx und Feinstaub deutlich rückläufig. Dies zeigt die Grafik des Umweltbundesamtes am Anfang der Seite. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen Abgase. Neben unschädlichen Bestandteilen fallen 0,3% giftige Gase (CO, HC, NOx, SO2 und Partikel) an.

Dieselmotor Abgaszusammensetzung
Dieselmotor: Abgaszusammensetzung; Quelle: Westermann, Schulbuch Kraftfahrzeugmechatroniker © Westermann Gruppe

Welche Abgase stößt ein Dieselmotor aus?

In der Diskussion um den Dieselmotor sind zurzeit vorrangig NOx und CO2.
CO2-Bedeutung
Der bei der Verbrennung von Kraftstoffen (Benzin oder Dieselkraftstoff) entstehende Anteil an CO2 ist ausschließlich abhängig von der verbrannten Kraftstoffmenge.

CO2 Anteil bei der Verbrennung von einem Liter Kraftstoff:

Dieselkraftstoff2,62 kg
Benzin 2,32 kg

Der Dieselmotor erzeugt bei der Verbrennung von einem Liter Dieselkraftstoff etwa 13% mehr CO2.
Da der Dieselkraftstoff eine höhere Dichte hat als Benzinkraftstoffe, enthält ein Liter Dieselkraftstoff eine größere Wärmemenge als der Ottokraftstoff (Benzin).

Dichte der Kraftstoffe

Dieselkraftstoff0,83 kg/L
Benzin 0,79 kg/L

Heizwert der Kraftstoffe

Dieselkraftstoff43 MJ/kg
Benzin 41 MJ/kg

Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Dichte und des unterschiedlichen Heizwertes werden dem Dieselmotor in einem Liter Kraftstoff auch unterschiedliche Wärmemengen bereitgestellt.

Wärmemengen bei der Verbrennung von einem Liter Kraftstoff

Dieselkraftstoff0,83 kg/L x 43 MJ/kg = 35,69 MJ/L
Benzin 0,79 kg/L x 41 MJ/kg = 32,39 MJ/L

Ein Liter Dieselkraftstoff enthält etwa 10 % mehr Wärmeenergie als der Ottokraftstoff.

Spezifischer Kraftstoffverbrauch (be)

Dieselmotor195 g/kWh
Benzinmotor (Ottomotor) 235 g/kWh

Der spezifische Kraftstoffverbrauch be eines Motors ist der Verbrauch in Gramm, den der Motor benötigt, um 1 kW pro Stunde zu erzeugen.

Für die Erzeugung von 1 kW in einer Stunde benötigt der Dieselmotor etwa 20 % weniger Kraftstoff als der Benzinmotor.

Der Dieselmotor erzeugt gegenüber dem Benzinmotor etwa 20 % weniger CO2. Andere Angaben, wie sie besonders häufig von Politikern verbreitet werden, sind falsch.

Anders als bei NOx besteht keine technische Möglichkeit, durch Schadstoffminderungssystemen den CO2 Anteil zu mindern.

Der Gesamtkraftstoffverbrauch wird hauptsächlich durch die erbrachte Motorleistung, die Fahrstrecke aber auch wesentlich durch das Fahrverhalten bestimmt. In dieser Hinsicht fahren Dieselfahrer defensiver und zurückhaltender, als die Mehrzahl der Fahrer von Fahrzeugen mit Benzinmotoren. Bei der Kaufentscheidung für einen Dieselmotor stehen meist geringere Kraftstoffkosten, Zuverlässigkeit und eine deutlich längere Lebensdauer des Motors im Vordergrund.

Dieselmotoren haben ein höheres Verdichtungsverhältnis, höhere Verbrennungsraumtemperaturen, höhere Einspritzdrücke und dadurch einen besseren thermischen Wirkungsgrad. Aufgrund der stabileren Bauart und geringerer Kolbengeschwindigkeiten haben Dieselmotoren eine deutlich längere Lebensdauer (Nachhaltigkeit). Die Differenz des Kraftstoffverbrauchs zwischen Teillastbereich und Volllastbereich ist beim Dieselmotor deutlich geringer als beim Benzinmotor. Nicht umsonst werden weltweit in den Bereichen wo es auf Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und geringen Kraftstoffverbrauch ankommt Dieselmotoren eingesetzt.

NOx- Anteil bei der Verbrennung

Der Gesamtausstoß von Stickstoffoxiden ist in den letzten Jahren deutlich zurückgegangen.

Die Grafik zeigt die verschiedenen Verursacher

Stickstoffoxide entstehen bei allen natürlichen Verbrennungsvorgängen aus Stickstoff und Sauerstoff. Die Gesamtmenge der bei der Verbrennung im Motor entstehenden Stickstoffoxide wird wesentlich durch die Kraftstoffmenge und die Verbrennungsraumtemperatur bestimmt. Je höher die Verbrennungsraumtemperatur, desto größer wird die Menge an Stickstoffoxiden. Diese Stoffe können in der Abgasanlage durch SCR Katalysatoren in Stickstoff und Wasser umgewandelt werden.

Stickstoffoxid-Emissionen seit 2005 Umweltbundesamt
Der Gesamtausstoß von Stickstoffoxiden ist in den letzen Jahren deutlich zurückgegangen.
Quelle: Quelle: Umweltbundesamt, Z 4 Fachbibliothek Umwelt und Bürgerservice

Erfolgreiche Stickoxid-Reduktion bei Nutzfahrzeugen

Im Bereich der Nutzfahrzeuge sind diese Systeme seit einigen Jahren mit Erfolg im Einsatz, das Wirkprinzip ist also seit langer Zeit bekannt, wurde bei PKW von der Automobilindustrie jedoch bislang nicht eingesetzt. Nun sind plötzlich auch Hersteller bereit, diese bekannte Technologie – SCR Katalysator- im PKW anzubieten.

Eine Nachrüstung älterer Fahrzeuge mit dem SCR-System ist grundsätzlich bei der Mehrzahl der Fahrzeuge möglich. Im Bereich der älteren Nutzfahrzeuge wird es keine Probleme geben, im Bereich der Pkw könnte bei einigen Fahrzeugen kein Raum für den Einbau der SCR Katalysatoren sein. Die Kosten für diese Umrüstung müssten ausschließlich die Automobilhersteller tragen. Tatsächlich aber erhalten die Automobilhersteller steuerliche Vergünstigungen für die beim „Dieselgipfel“ vereinbarten Modifizierungen.

Wenn man die Fakten zu den Verbrennungsprozessen von Benzin- und Dieselmotoren richtig versteht, kommt man zum Ergebnis: Der Dieselmotor erzeugt weniger CO2 als ein Benzinmotor.

Der CO2 – Ausstoß kann durch technische Maßnahmen weder beim Benzinmotor noch beim Dieselmotor vermindert werden.

Der NOx Ausstoß kann durch technische Maßnahmen deutlich unter die zulässige Konzentration von 40 mg/m3 gemindert werden.

Da der NOx-Ausstoß moderner Fahrzeuge unter den gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerten ist, steht für die Zukunft der CO2 Ausstoß beider Motoren im Focus. Wie beschrieben ist in diesem Vergleich der Dieselmotor der bessere Motor für die Zukunft und die Erreichung der Klimaziele. Eine Nachrüstung älterer Motoren bringt eine deutliche Minderung der NOx Belastung

Sinnvoll wären zudem alle Maßnahmen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs.

Absurde zulässige Werte am Arbeitsplatz – verglichen mit den Werten, für deren Einhaltung die DUH klagt

Die Europäische Union hat vor Jahren für gesundheitsschädliche Stoffe MAK Werte (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) Grenzwerte für NOx an unterschiedlichen Arbeitsplätzen vorgeschrieben. Diese Grenzwerte gelten auch heute noch. Dabei handelt es sich um die maximale Konzentration eines Stoffes, den ein Mensch täglich 8 Stunden am Tag, an 5 Wochentagen ausgesetzt werden darf, ohne dabei gesundheitlichen Schaden zu nehmen.

Diese zulässigen Grenzwerte liegen in bestimmten Arbeitsbereichen (Metall- oder Chemieindustrie bis zum 20fachen (900 mg/m3) höher, im Bereich der Büroarbeitsplätze sind sie fast doppelt so hoch (60 bis 80 mg/m3) wie im Bereich des Straßenverkehrs(40 mg/m3). Bei der Debatte über zu hohe Belastungen durch den Kraftverkehr handelt es sich um zeitlich begrenzte Belastungen (Spitzenwerte, zeitlich begrenzt) an einigen (zu vielen) Tagen im Jahr an besonders belasteten Brennpunkten. Wer hält sich dauerhaft im Bereich der Messstationen auf?

Den Arbeitern und Angestellten kann, laut EU Verordnung, eine Dauerbelastung zugemutet werden. Das ist eigentlich nicht nachvollziehbar, es soll uns nicht daran hindern, intensiv an einer deutlichen Verringerung der Schadstoffe zu arbeiten.

Die Argumentation der politisch Verantwortlichen, Erhöhung der Kfz-Steuer für Fahrzeuge EURO 4 und älter und Verschrottung von älteren Dieselfahrzeugen (EURO 4 und älter) kann in Kenntnis der vorliegenden Fakten nicht nachvollzogen werden, sie erscheint sogar absurd. Politisch Verantwortliche haben sich anscheinend abgekoppelt von den Lebensbedingungen des größten Teils der Bevölkerung.

Zynisches Vorgehen der Umweltministerin – ohne ökologischen und ökonomischen Wirklichkeitsbezug

Wenn eine Umweltministerin die Kfz-Steuern für ältere Dieselfahrzeuge erhöhen will, als Anreiz, um sich neue Fahrzeuge anzuschaffen, ist das zynisch. Ein sehr großer Teil dieser Fahrzeuge würde problemlos weiterhin über Jahre betrieben werden können. Diese Autos haben für die Menschen einen großen Wert. Dieser Wert unterscheidet sich deutlich vom Wert des Fahrzeuges am Markt. Vordergründig ist dieser Vorschlag ein Geschenk an die Automobilindustrie zu Lasten der Bevölkerung.

Würde man die Euro 4 Fahrzeuge verschrotten, kämen z.B. auch solche Fahrzeuge in die Presse.

Quelle: mobile.de, Gebrauchtwagenmarkt

Marktwert ca. 16000 €, CO2 Ausstoß 225 g/km, EURO 4,150000 km, zu erwartende Gesamtfahrstrecke mehr als 500 000 km

Quelle: mobile.de, Gebrauchtwagenmarkt

Marktwert ca. 6000 €, CO2 Ausstoß 135 g/km, EURO 4, 140 000 km, zu erwartende Gesamtfahrstrecke mehr als 300 000 km

Die sinnlose Vernichtung von Werten hat aber auch gar nichts mit den Vorstellungen von Nachhaltigkeit und Umweltschutz zu tun. In der Vergangenheit waren das Thema Nachhaltigkeit und der verantwortungsvolle Umgang mit Rohstoffen und der Umwelt auch einmal Thema von politischen Parteien.

Es würden Rohstoffe, die für die Herstellung der Fahrzeuge erforderlich waren, sinnlos vernichtet. Für die Produktion wurden in der Vergangenheit unermessliche Energiemengen benötigt, die nun wiederum bereitgestellt werden müssen. Wo ist der Schutz der Umwelt und der Rohstoffe zu erkennen?

Der Mut der Automobilindustrie, bei einem Neukauf eines Fahrzeuges Verkaufsprämien anzubieten, ist eigentlich eine Frechheit. Diese Prämien gelten für den Listenpreis der Fahrzeuge. Kaum ein Fahrzeug wird aber am Markt ohne einen deutlichen Rabatt verkauft. Rabatte über 20 % sind nicht unüblich.
Viele Menschen können aber rechnen und erkennen das böse Spiel. Die politisch Verantwortlichen unterstützen dabei aber das Ansinnen der Automobilkonzerne, neue Fahrzeuge verkaufen zu wollen.

Seit dem Jahr 2003 haben Hersteller und Politiker um gesetzliche Regelungen für den Bereich der Abgasnachbehandlung gerungen. Mit der EU-Richtlinie 415/2007 (Art. 5 Abs. 1 und 2 der Verordnung (EG) Nr. 715/2007 – Anforderungen und Prüfungen des Emissionsverhaltens von Kfz, Juli 2007) wurden entsprechende Bestimmungen festgelegt. Darin werden Begriffe wie „Abschaltvorrichtungen“ expliziert erwähnt. Seit dieser Zeit arbeiten, alles angeblich ohne Wissen der Führungskräfte, die Automobilhersteller an betrügerischen Manipulationen oder an geschickter Auslegung dieser Bestimmungen.

Heute muss man aber leider auch feststellen: Die Behörden haben diese Problemfelder nicht sonderlich nachhaltig verfolgt. Erst jetzt hat man festgestellt, die Fahrzeuge verbrauchen deutlich mehr als in der Typzulassung angegeben. Auch der Prüfzyklus NEFZ hat nichts mit den tatsächlichen Bedingungen im täglichen Betrieb zu tun. Für die Prüfung wurden die Motoren gedopt, sie entsprachen nicht den Motoren die in die Serienfahrzeuge eingebaut wurden.

Die Entschlossenheit der politisch Verantwortlichen, tatsächlich zu einer deutlichen Verminderung der Umweltbelastungen beizutragen, war nicht deutlich erkennbar.

Geschwindigkeitsbegrenzungen, Besteuerung der Kraftfahrzeuge über den Kraftstoffverbrauch, deutliche Verbesserung des öffentlichen Nahverkehrs und eine intelligente Verkehrssteuerung sind außerordentlich unpopuläre Maßnahmen, mit denen Politiker keine Anerkennung bei den meisten Wählern erhalten. Kurz vor der Wahl reden Politiker schon gar nicht über diese Themen.

Da wird dann aber ein Verkehrsminister im Jahr 2017 sehr entschlossen in das bereitgestellte Mikrofon verkünden, er habe die Zulassung einiger Porsche-Modelle verboten, wegen Überschreitung von Grenzwerten. Er hat dabei die Rechenfähigkeit der Menschen in diesem Lande unterschätzt. Diese „gewaltige Entscheidung“ betrifft ganze 0,000015 % der Fahrzeuge in Europa (0,00012 % in Deutschland). Eine fachlich kompetente Entscheidung im Vorfeld dieser Diskussion wären effektiver gewesen.

Grenzwerte müssten für alle Hersteller gelten, nicht nur für die deutsche Autoindustrie

Welchen Sinn haben Grenzwerte, wenn sie nur für die Typzulassung am deutschen Markt von Bedeutung sind. Grundlage dieser Typzulassung war ein Testzyklus der die tatsächlichen Beanspruchungen im alltäglichen Gebrauch der Fahrzeuge nicht widerspiegelt. Die Hersteller konzentrieren sich nur auf die Typprüfung, spätere deutliche Überschreitungen der Grenzwerte können, insbesondere bei ausländischen Fabrikaten, von deutschen Behörden nicht geahndet werden.

Überschreitung des Grenzwertes für NOX (Grenzwert Faktor 1, Auto Motor Sport 07.2017)

Renault Espace dCi 160 15,28 fach
Subaru Outback 2,0014,16 fach
Volvo XC90 DS10,98 fach
Fiat 500X 1,6 Multijet10,60 fach
Renault Megane dCi 110 9,88 fach
VW Golf Variant1,90 fach
VW Tiguan 2,0 TDI1,36 fach
Audi Q2 2,0 TDI0,99 fach

Keinem Fahrer eines Kraftfahrzeuges wird erlaubt, die zulässige Höchstgeschwindigkeit um mehr als das Zehnfache zu überschreiten; bei den NOx Grenzwerten ist das aber den Herstellern (Stand Juli 2017) ohne Konsequenzen möglich.

Einige Fakten zur E-Mobilität

Fahrzeuge mit einem E-Motor sind durchaus sinnvoll: überall dort, wo überschaubare Einsatzprofile vorliegen. Für Fahrzeuge der Stadtverwaltung, der Pflegedienste und Krankenwagen, Verteilerfahrzeuge von Post und anderen Lieferdiensten sollten sie flächendeckend eingesetzt und gefördert werden.

Die meisten Menschen in unserem Land haben keine eigene Garage mit Ladestation am Haus, haben in den Ballungsräumen nicht mal einen festen Parkplatz, können sich auch nicht ein Elektrofahrzeug, nur mal so zum Einkaufen, zusätzlich leisten und möchten auch nicht stundenlang irgendwo an einer weit entfernten Ladestation warten.

Fahren Sie doch bitte einmal mit einem Elektroauto, nach Feierabend, in die Innenstadt von Nürnberg. Sie finden zunächst einmal keinen Parkplatz, haben Sie dann einen Parkplatz, steht dort keine Ladestation; finden Sie dann einen Parkplatz mit Ladestation, stehen dort sicher 2 bis 4 Fahrzeuge, die mehrere Stunden am Kabel hängen. Wie man die momentane Situation anders bewerten kann, ist unverständlich.

Der Anspruch der Politik, 1 Million Elektro-Fahrzeuge bis 2020 auf den Straßen zu haben, erscheint aufgrund der Faktenlage absolut unrealistisch. Müsste für 1 Million elektrisch betriebener Fahrzeuge Energie bereitgestellt werden, bei einem mittleren Verbrauch von 17,5 kWh/100 km, bei 20 000km/Jahr, fiele ein Bedarf an elektrischer Energie von mehr als 3.600.000 MWh/Jahr (etwa 10 000 MWh pro Tag) an. Wie und wo soll diese Energiemenge erzeugt werden? Bislang hat m. E. kein Politiker dieses Problem verständlich erläutert.

Politiker werden auch daran gemessen, inwieweit das, was sie vertreten, überzeugend ist und auch eventuell annähernd zu verwirklichen ist.

Ehrliche Werbung und Information im Bereich der Elektromobilität sind unverzichtbar, um das Vertrauen der Autofahrer zu gewinnen.

Realitätsferne Angaben zu Energieaufwand und Schadstoffausstoß

Für Hybridfahrzeuge geben die Hersteller nur den Kraftstoffverbrauch an; die benötigte elektrische Energie und der damit verbundene CO2 Ausstoß müssen nicht erwähnt werden. Die Reichweiten der Fahrzeuge werden fast nie oder häufig nur bei optimalen Fahrbedingungen erreicht, ohne Scheibenwischer, Heizung oder Klimaanlage, bei zurückhaltender Fahrweise und bei schönem Wetter. Ganz kalte Jahreszeiten mögen diese Fahrzeuge gar nicht. Das ist eine offensichtliche Täuschung der Verbraucher.

Ein deutscher Hersteller wirbt für sein Elektroauto mit einer Reichweite von 500 km. Tatsächlich erreicht das Fahrzeug nur etwa 330 km. Das Fahrzeug hat ein Gewicht von etwa 2 t, allein die Batterie wiegt mehr als 450 kg. Glaubt man mal den Herstellerangaben, beträgt die Ladezeit an einer Steckdose (2,3 kW) mehr als 40 h, an einer eigenen Ladestation (4,6 kW) etwa 20 h und an einer Schnellladestation (> 50 kW) immer noch 1,6 h. Im gesamten Großraum Nürnberger Raum gibt es eine dieser Stationen.

Tatsächliche Grenzwertüberschreitungen in Stuttgart

Stuttgart Überschreitungsstunden – Monatssummenwerte für Stickstoffoxyd
Anzahl der Überschreitungsstunden-Monatssummenwerte für Stickstoffoxid (NO2) > 200 µg/m3; LUBW-Station „Hohenheimer Str.“ (2013 – 2017) Quelle: LUBW, Grafik: AfU Stuttgart Abt. 36-4; Landeshauptstadt Stuttgart, Abteilung Stadtklimatologie
Feinstaub Stuttgart: Monatssummenwerte für PM10 > 50µg/m3
Feinstaub Stuttgart: Anzahl der Überschreitungstage-Monatssummenwerte für PM10 > 50µg/m3; Quelle: LUBW, Grafik: AfU Stuttgart Abt. 36-4; Landeshauptstadt Stuttgart, Abteilung Stadtklimatologie
Stuttgart Überschreitungsstunden – Monatssummenwerte für Stickstoffoxyd LUBW-Station „Am Neckartor“
Anzahl der Überschreitungsstunden-Monatssummenwerte für NO2; 200 µg/m3; LUBW-Station „Am Neckartor“ (2013 – 2017) Quelle: LUBW, Grafik: AfU Stuttgart Abt. 36-4; Landeshauptstadt Stuttgart, Abteilung Stadtklimatologie
NO2 und PM10 Stutttgart Überschreitung
NO2 und PM10 Stutttgart Überschreitung; Quelle: Landeshauptstadt Stuttgart, Abteilung Stadtklimatologie

 

Kontakt zum Autor dieses Artikels

Dipl.-Ing. Jürgen Göbert

Maschinenbauingenieur, STD
Themenbereiche Fahrzeugtechnik, Umweltschutz
E-Mail: goebert@dieselwerte.de

Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von:

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2 Comments

  1. Hallo
    „Der Anspruch der Politik, 1 Million Elektro-Fahrzeuge bis 2020 auf den Straßen zu haben, erscheint aufgrund der Faktenlage absolut unrealistisch. Müsste für 1 Million elektrisch betriebener Fahrzeuge Energie bereitgestellt werden, bei einem mittleren Verbrauch von 17,5 kWh/100 km, bei 20 000km/Jahr, fiele ein Bedarf an elektrischer Energie von mehr als 3.600.000 MWh/Jahr (etwa 10 000 MWh pro Tag) an. Wie und wo soll diese Energiemenge erzeugt werden? Bislang hat m. E. kein Politiker dieses Problem verständlich erläutert.“

    Bei dieser Betrachtung muss aber ehrlicherweise der Stromverbrauch für die Produktion des Benzins und Diesel gegengerechnet werden.Dann muss weniger Energie zur Verfügung gestellt werden.

    Bsp. 20000km, 7L/100km Benzin und 1,5-2kwh/l Energieaufwand und 1Mill. Autos.
    20000km x 7L/100km * 1,5kwh x 1Mill. = 2100000000 Wh = 2100MWh

    Somit wäre der Mehraufwand ca. 3600MwH – 2100MWh = 1500MWh

    Gruß
    Markus

  2. Hallo,

    um ein Gefühl für die Größenordnung des zusätzlichen Energieverbrauchs von Elektroautos zu bekommen, kann man sich fragen wie hoch der gesamte Stromverbrauch in Deutschland ist:

    Es beträgt ca. 500 TWh/Jahr (siehe https://de.statista.com/statistik/daten/studie/164149/umfrage/netto-stromverbrauch-in-deutschland-seit-1999/)

    Auf diesem Hintergrund erscheit ein Mehraufwand von 3,6 TWh/Jahr für 1 Mio. Autos (dies entspricht nicht mal 1% des gesamten Strom Verbrauchs), kein echtes Argument gegen das Elektroauto zu sein …

    Andreas

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