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Abgaskatalysator

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Definition: eine Einrichtung zur Reduzierung des Schadstoffgehalts von Abgasen

Englisch: catalytic converter

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Umwelt und Ökologie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 29.04.2012; letzte Änderung: 20.08.2017

Abgaskatalysatoren sind Einrichtungen, die den Schadstoffgehalt der Abgase z. B. von Verbrennungsmotoren oder auch von großen Kraftwerksfeuerungen reduzieren können, also die Abgasqualität erhöhen. Die Abgase enthalten eine Reihe von Schadstoffen, welche zum guten Teil durch eine unvollständige Verbrennung oder unerwünschte chemische Nebenreaktionen entstehen:

All diese Schadstoffe wären im Prinzip vermeidbar, wenn die Verbrennungsprozesse vollständig abliefen und die Oxidation von Stickstoff unterbliebe. Dies wäre annähernd der Fall, wenn die Verbrennung mit angemessener Luftzufuhr, nicht zu schnell und bei günstigen Temperaturen abliefe. Die Temperatur in der Flamme sollte hoch genug werden und beim Weg aus der Flamme heraus nicht zu schnell absinken. Solche Bedingungen sind jedoch z. B. bei Ottomotoren und Dieselmotoren kaum realisierbar, insbesondere bei höheren Drehzahlen. Auch die wechselnden Lastfälle machen die Kontrolle der Verbrennungsvorgänge schwierig.

Das Problem kann nun mit einem Abgaskatalysator als außermotorische Maßnahme gelöst oder zumindest stark vermindert werden; man spricht von einer Abgasnachbehandlung im Gegensatz zur Reduktion der Rohemissionen durch innermotorische Maßnahmen. Die Funktion des Katalysators ist es, bestimmte erwünschte chemische Reaktionen auch bei niedrigeren Temperaturen (einige hundert Grad Celsius) beschleunigt ablaufen zu lassen:

Diese Reaktionen könnten zwar im Prinzip auch ohne Katalysator ablaufen, jedoch wären sie viel zu langsam. Die Beschleunigung der Reaktionen im Katalysator funktioniert vereinfacht gesagt so, dass sich Moleküle des Schadstoffs zeitweilig an Elementen des Katalysators anlagern (und dort eine schwache Bindung eingehen), bis sie dort auf passende andere Moleküle (z. B. Sauerstoffmoleküle) treffen, mit denen sie reagieren können. Nach Ablauf dieses Prozesses bleibt der Katalysator unverändert und kann somit weitere Schadstoffmoleküle umsetzen.

Die im Katalysator ablaufenden chemischen Reaktionen sind größtenteils exotherm: Energiereichere Substanzen werden in energieärmere umgewandelt. Dadurch wird im Katalysator Wärme freigesetzt. Wenn ein Katalysator allzu stark mit energiereichen Substanzen wie Kohlenmonoxid und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen belastet wird (was vor allem bei Zweitaktmotoren der Fall ist), kann dies sogar zur Überhitzung führen, solange der zur Oxidation notwendige Sauerstoff ebenfalls vorhanden ist.

Ein Fahrzeugkatalysator enthält meistens eine stark zerklüftete Keramik- oder Metallstruktur mit einer großen inneren Oberfläche, die zudem mit sehr feinen Teilchen von Edelmetallen wie Platin, Palladium und Rhodium versetzt ist. Die gewünschten Reaktionen erfolgen hauptsächlich an diesen Edelmetallteilchen.

Was ein Katalysator nicht leisten kann, ist die Entfernung unerwünschter chemischer Elemente wie z. B. Schwefel als Bestandteil von Schwefeldioxid (SO2). Es kann sogar passieren, dass aus Schwefeldioxid der wesentlich giftigere und stark stinkende Schwefelwasserstoff (H2S) entsteht; dann riechen Autoabgase nach faulen Eiern. In anderen Fällen entsteht das unerwünschte Schwefeltrioxid (SO3), welches zur Bildung von Schwefelsäure und danach zu Sulfaten führt, die schlussendlich als Partikelemissionen (Feinstaub) anfallen. Ohnehin können Katalysatoren nicht die Emission von Kohlendioxid (CO2) verhindern; dies ist immerhin die am wenigsten schädliche Form, in der der im Brennstoff enthaltene Kohlenstoff das System verlassen kann.

Typen von Abgaskatalysatoren

Der ideale Katalysator würde all die genannten erwünschten chemischen Reaktionen schnell und vollständig ablaufen lassen, gleichzeitig aber keine unerwünschten Reaktionen. Dies ist jedoch technisch nicht möglich; die Effizienz der Abgasreinigungsprozesse hängt vom Typ des Katalysators ab, aber auch stark von den Betriebsbedingungen. Oft kann ein Katalysator nur eine bestimmte Reaktion begünstigen.

Oxidationskatalysator

Unter einem Oxidationskatalysator versteht man einen Katalysator, der nur eine Oxidation von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen bewerkstelligen kann, aber keine Reduktion von Stickoxiden. Dies gilt für viele Katalysatoren, wenn das Abgas einen Überschuss an Sauerstoff enthält. Dies ist in der Regel der Fall für Abgase aus einem Benzin-Magermotor oder einem Dieselmotor; beide arbeiten mit einem hohen Verbrennungsluftverhältnis. Reine Oxidationskatalysatoren (ungeregelte Katalysatoren) kamen früher auch oft als Nachrüst-Katalysatoren für Benzinmotoren zum Einsatz.

Mittlerweile werden auch Oxidationskatalysatoren für Kaminöfen entwickelt. Diese können beispielsweise im Brennraum in der Gegend des Auslass es zum Schornstein angebracht werden. Da sie dort teils sehr hohen Temperaturen ausgesetzt werden, müssen sie aus einem entsprechend hochtemperaturfesten Material bestehen. Mithilfe eines solchen Katalysators lassen sich die Emissionen von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und auch von Feinstaub deutlich reduzieren.

Geregelter Drei-Wege-Katalysator

Für Viertakt-Ottomotoren, die mit Benzin oder auch mit Erdgas betrieben werden, wird heute meistens ein Drei-Wege-Katalysator eingesetzt. Dieser kann gleichzeitig Kohlenmonoxid oxidieren, Kohlenwasserstoffe oxidieren und Stickoxide reduzieren (deswegen “drei Wege” im Sinne der Entfernung von drei unterschiedlichen Schadstoffen). Letzteres geschieht durch die Reaktion mit Kohlenmonoxid, welches den Stickoxiden Sauerstoff entreißt und dabei zum ungiftigen Kohlendioxid wird.

Der Restsauerstoffgehalt des Abgases wird bestimmt durch das Verbrennungsluftverhältnis, auch als Lambda-Wert (λ-Wert) bezeichnet. Benötigt wird für den Drei-Wege-Katalysator ein Lambda-Wert sehr nahe bei 1. Dies ist technisch nur möglich mit Hilfe einer automatischen Regelung, die ein Fehlersignal von einer sogenannten Lambdasonde benötigt.

Leider wird in vielen Fahrzeugen bei starkem Gasgeben eine sogenannte Volllastanreicherung eingesetzt. D. h., dass die genannte Regelung bewusst abgeschaltet wird, um den Motor mit einem “fetten” Gemisch zu betreiben. Damit lässt sich eine etwas höhere Motorleistung erreichen und gleichzeitig einer Überhitzung des Katalysators vorbeugen. Jedoch wird damit einerseits der Schadstoffausstoß stark erhöht, und andererseits wird der Kraftstoffverbrauch durch den reduzierten Wirkungsgrad des Motors erhöht.

Weitere Details finden sich im Artikel über Drei-Wege-Katalysatoren.

NOx-Speicherkatalysator

Bei Magermotoren und Dieselmotoren funktioniert die Entstickung in einem herkömmlichen Katalysator nicht, da das dafür benötigte Kohlenmonoxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe in zu geringer Menge im Abgas vorhanden sind. Eine Lösung für diesen Fall ist der NOx-Speicherkatalysator. Dieser enthält Substanzen, die Stickoxidmoleküle (NO2) zunächst ansammeln. Wenn die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft ist, muss der Katalysator regeneriert werden. Dazu wird der Motor kurzzeitig auf ein fettes Gemisch umgestellt (wie bei der Volllastanreicherung) und die Abgastemperatur erhöht. Die dabei geänderte Abgaszusammensetzung (mit wenig Sauerstoff und etwas Kohlenmonoxid) ermöglicht die Beseitigung der Stickoxide im Katalysator: Sie reagieren mit Kohlenmonoxid, an den sie den Sauerstoff abgeben.

Ein Problem dieser Technologie ist, dass es im Fahrzeugbetrieb schwierig ist, die Betriebstemperatur des Katalysators im optimalen Bereich zu halten. Unter den häufig vorkommenden ungünstigen Umständen (z. B. im Stadtverkehr) kann die Wirksamkeit der Abgasreinigung stark abnehmen – gerade bei Dieselmotoren, die je nach Last stark schwankende Abgastemperaturen aufweisen. Es ist häufig auch schwierig, die für die Regeneration nötigen erhöhten Temperaturen zu erreichen.

Weitere Details finden sich im Artikel über Speicherkatalysatoren.

SCR-Katalysator

Das heutzutage wirksamste Verfahren zur Entstickung von Dieselabgasen setzt auf einen SCR-Katalysator. Die dort ablaufende selektive katalytische Reduktion (SCR = selective catalytic reduction) erfordert meist die dosierte Zugabe von Ammoniakgas (NH3) oder einer Harnstofflösung (z. B. AdBlue), die in Ammoniak und Wasserdampf zerfällt (und in Fahrzeugen besser transportierbar ist als Ammoniak). Ammoniak ist ein giftiges Gas, wird jedoch im Katalysator weitgehend umgesetzt, sollte also im gereinigten Abgas kaum mehr vorhanden sein – außer bei Überdosierung des Ammoniaks bzw. des Harnstoffs.

Es gibt auch sogenannte passive SCR-Katalysatoren, die als Reduktionsmittel im Abgas vorhandene unverbrannte Kohlenwasserstoffe nutzen, also keine zusätzliche Verbrauchsflüssigkeit benötigen. Sie sind also nur anwendbar für entsprechend zusammengesetzte Abgase und unterliegen zum Teil auch weiteren Einschränkungen, beispielsweise durch eine geringere Toleranz gegen Schwefel. Mit dieser Technik lässt sich auch der Motor u. U. nicht mehr für einen optimalen Wirkungsgrad optimieren.

Weitere Details finden sich im Artikel über SCR-Katalysatoren.

Verwendung von zwei Abgaskatalysatoren

In manchen Fahrzeugen für die Abgasnachbehandlung mit einer Kombination von zwei Abgaskatalysatoren durchgeführt. Beispielsweise kann man für einen Ottomotor einen relativ kleinen, motornah angebrachten Vorkatalysator mit einem größeren, am Unterboden des Fahrzeugs angebrachten Hauptkatalysator kombinieren. Der Vorkatalysator erreicht nach einem Kaltstart schneller seine Anspringtemperatur, reinigt aber die Abgase noch nicht vollständig; der Hauptkatalysator übernimmt dann die weitere Entgiftung.

In manchen Fällen werden auch zwei unterschiedliche Arten von Katalysatoren miteinander kombiniert. Beispielsweise verwendet man bei manchen Dieselmotoren zunächst einen Oxidationskatalysator und danach einen SCR-Katalysator (für die selektive katalytische Reduktion).

Katalysatorgifte

Bestimmte Substanzen können einen Katalysator “vergiften”, also unwirksam machen. Beispielsweise wurde früher das Benzin zur Erhöhung der Klopffestigkeit mit geringen Mengen von Bleitetraethyl versetzt (“verbleit”), und dies machte den Einsatz von Katalysatoren unmöglich, weil diese in kurzer Zeit vergiftet worden wären. Blei bildet nämlich ähnlich wie gewisse andere Metalle (etwa Cadmium und Quecksilber) mit den katalytischen Komponenten chemischen Verbindungen, die nicht mehr katalytisch aktiv sind. Unter anderem deswegen war die Einführung unverbleiten (bleifreien) Benzins notwendig.

Auch Schwefel kann als Katalysatorgift wirken, wenn der Kraftstoff nicht völlig schwefelfrei ist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Speicherkatalysatoren für Dieselmotoren problematisch, wenn der Dieselkraftstoff nicht zuverlässig in hoher schwefelarmer Qualität verfügbar ist.

Die Empfindlichkeit eines Katalysators hängt allerdings von seinem Typ ab; teils kann sie reduziert werden, indem gewisse zusätzliche Substanzen eingebaut werden. In manchen Fällen gibt es auch die Möglichkeit einer Regeneration, die jedoch im normalen Fahrzeugbetrieb nicht unbedingt möglich ist.

Bei Zündstrahlmotoren für Biogas sind die Katalysatorgifte oft ein Problem, bzw. sie verhindern oft den Einsatz eines Katalysators.

Diverse Nachteile und Einschränkungen der Wirksamkeit von Katalysatoren

Moderne Abgaskatalysatoren können zwar den Schadstoffgehalt von Abgasen stark vermindern, aber sie haben auch eine Reihe von Nachteilen und sind nicht immer perfekt wirksam:

Die Wirksamkeit von Abgaskatalysatoren in Autos kann von Fall zu Fall sehr unterschiedlich sein. Eine ausgezeichnete Wirkung ist möglich, wenn eine solide Technik eingesetzt wird, außer auf sehr kurzen Strecken. Bei Verwendung guter Technik kann ein Abgaskatalysator auch bei starkem Beschleunigen oder hoher Fahrgeschwindigkeit sehr gut wirksam bleiben (ohne damit freilich das Problem erhöhter CO2-Emissionen zu lösen). Leider sind heute aber viele Fahrzeuge so konstruiert, dass die Abgasqualität bei Vollgas massiv verschlechtert wird, beispielsweise weil eine Volllastanreicherung verwendet wird (beim Benzinmotor) oder weil die Abgasreinigungsanlage eines Dieselmotors die Stickoxidemissionen dann nicht effektiv beherrschen kann. Massive Abweichungen zwischen Praxisbetrieb und offiziellen Messverfahren sind möglich, wenn unrealistische Testbedingungen von Herstellern auf legale oder illegale Weise ausgenutzt werden [2, 3].

Überwachung der Wirksamkeit von Abgaskatalysatoren von Fahrzeugen

Die Wirksamkeit eines Abgaskatalysators beispielsweise in einem Fahrzeug kann auf verschiedene Weisen gefährdet werden – nicht nur durch eine mögliche Schädigung des Katalysators z. B. bei Überhitzung im Betrieb, sondern auch durch Störungen der Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses. Unter solchen Umständen können die Schadstoffemissionen des Fahrzeugs massiv ansteigen.

Entsprechende Probleme können durch Abgasmessungen auf einem Prüfstand entdeckt werden, z. B. im Rahmen der in Deutschland normalerweise alle zwei Jahre erfolgenden Abgasuntersuchung, die seit 2010 Bestandteil der Hauptuntersuchung ist. (Seitdem wird eine separate Plakette für die Abgasuntersuchung nicht mehr benötigt.)

Seit der Abgasnorm Euro 3 müssen Fahrzeuge außerdem mit einem Onboard-Diagnose-System (EOBD) ausgestattet sein, welches die Funktionstüchtigkeit der wesentlichen Komponenten des Abgasbehandlungssystems überwacht und gegebenenfalls eine Warnleuchte aktiviert. Wenn diese leuchtet, muss der Fahrer das System baldmöglichst an einer Werkstatt kontrollieren lassen und ggf. entstandene Schäden beheben lassen.

Literatur

[1]V. Franco et al., “Real-world exhaust emissions from modern diesel cars”, International Council of Clean Transportation, http://www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_PEMS-study_diesel-cars_20141010.pdf
[2]Blog-Artikel: Dieselfahrzeuge von Volkswagen: Einhaltung von Abgasgrenzwerten mit illegalen Tricks
[3]Blog-Artikel: Stickoxidemissionen von modernen Dieselfahrzeugen – deutlich höher als gedacht

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Abgas, Drei-Wege-Katalysator, Speicherkatalysator, Abgasqualität, Kaltstart, Verbrennungsmotor, Ottomotor, Dieselmotor, Lambdasonde, Volllastanreicherung, Stickoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Abschalteinrichtung bei der Abgasreinigung
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Umwelt und Ökologie

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