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Abschalteinrichtung bei der Abgasreinigung

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Definition: eine automatische Einrichtung zur Abschaltung oder negativen Beeinflussung einer Abgasreinigungsanlage

Englisch: defeat device in the exhaust gas treatment

Kategorien: Fahrzeuge, Umwelt und Ökologie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 23.04.2016; letzte Änderung: 20.08.2017

Diverse Anlagen und Geräte, beispielsweise Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, müssen über eine Abgasreinigungsanlage verfügen, um den Ausstoß von Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Rußpartikeln Feinstaub zu minimieren. Nun gibt es aber Abschalteinrichtungen (englisch defeat devices), mit denen solche Anlagen unter bestimmten Umständen deaktiviert oder zumindest erheblich weniger wirksam gemacht werden können. Für deren Einsatz kann es unterschiedliche Gründe geben, und je nach Fall kann dies erlaubt oder verboten sein. Die praktischen Auswirkungen auf die durchschnittliche Abgasqualität hängen natürlich davon ab, ob eine solche Abschalteinrichtung im Praxisbetrieb nur in seltenen Fällen oder aber sehr häufig betätigt wird.

Der von Herstellern ersatzweise teils verwendete Begriff “Umschaltlogik” für eine Abschalteinrichtung soll einerseits wohl besser klingen, andererseits aber möglicherweise auch einfach vermeiden, dass juristisch wirksam das Vorhandensein einer illegalen Abschalteinrichtung zugestanden wird.

Abschalteinrichtungen bei Fahrzeugen

In diesem Abschnitt geht es um Abschalteinrichtungen bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor. In der Regel wirken solche Einrichtungen nicht direkt auf ein Element der Abgasreinigung – etwa einen Abgaskatalysator – sondern auf die Motorsteuerung, die freilich einen erheblichen Einfluss darauf hat, wie wirksam der Katalysator ist. In manchen Fällen geht es auch um die Dosierung eines Additivs (Zusatzstoffs), z. B. einer Harnstofflösung (AdBlue) für den Betrieb eines SCR-Katalysators.

Obwohl die Problematik von Abschalteinrichtungen bei Fahrzeugen eigentlich schon wesentlich älter ist, ist sie erst ab dem Herbst 2015 im Zuge des Volkswagen-Abgasskandals [2] allgemein bekannt geworden. Hier hat sich herausgestellt, dass Millionen von Fahrzeugen, die Volkswagen in den vorhergehenden Jahren weltweit ausgeliefert hatte, mit einer in den USA wie auch in der EU verbotenen Abschalteinrichtung der Abgasreinigungsanlage ausgerüstet wurden. In den folgenden Monaten wurde bekannt, dass auch etliche andere Autohersteller in- und außerhalb Deutschlands Abschalteinrichtungen eingesetzt haben, wenn auch nicht unbedingt solche verbotener Art. Im Folgenden werden die wichtigsten Betriebskritieren von Abschalteinrichtungen und die möglichen Motivationen für deren Einsatz beschrieben.

Abschaltung mit Testerkennung

Im Zusammenhang mit dem VW-Abgasskandal ging es zunächst hauptsächlich um eine Abschalteinrichtung mit einer sogenannten Testerkennung (oder Zykluserkennung) für Fahrzeuge mit Dieselmotor. Hier ist die Betriebssoftware des Motors (als zentrales Element der Motorsteuerung) so gestaltet, dass sie anhand diverser Indizien (z. B. Entwicklung der Fahrgeschwindigkeit oder Fehlen von Lenkradbewegungen) relativ sicher erkennen kann, ob das Fahrzeug momentan einen Testzyklus für ein offizielles Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte durchläuft oder ob es sich um den normalen Betrieb handelt. Wenn die Testerkennung anschlägt, kann sie die Abgasreinigungsanlage abschalten oder zumindest deutlich weniger wirksam machen.

Es mag zunächst erstaunen, dass ein Fahrzeug einerseits mit einer wirksamen Abgasreinigungsanlage ausgestattet wird (weil es ja entsprechende Abgastests entsprechend den aktuellen Abgasnormen bestehen muss), dass diese Anlage aber andererseits dann in der Praxis gar nicht konsequent eingesetzt, sondern womöglich sogar häufig deaktiviert wird. Dafür kann es aus Sicht des Herstellers jedoch diverse Arten der Motivation geben; zwei Beispiele hierfür:

  • Wenn ein Dieselmotor so betrieben wird, dass die Stickoxidemissionen minimiert werden, kann dies nicht nur zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führen, sondern auch zu einer stärkeren Entstehung von Rußpartikeln. Diese können zwar von einem Rußpartikelfilter abgefangen werden, der aber dann entsprechend häufiger regeneriert werden muss. Es hat nun Fälle gegeben, in denen die Lebensdauer des Rußpartikelfilters zu gering ausfiel, sodass der Hersteller ein Interesse daran hatte, die Zahl der Regenerationszyklen möglichst gering zu halten, anstatt z. B. verbesserte Filter einzusetzen. Dafür wurde die Motorsteuerung so eingesetzt, dass weniger Ruß entsteht, auch wenn damit trotz Katalysator höhere Stickoxidemissionen verursacht werden – dies aber nicht während des Testzyklus, wenn man sonst ja die entsprechenden Abgasnormen nicht erfüllt hätte.
  • Sogenannte SCR-Katalysatoren (Abgaskatalysatoren mit katalytischer Reduktion von Stickoxiden) für Dieselmotoren sind nur wirksam, wenn dem Abgas eine passende Menge einer Harnstofflösung beigesetzt wird. (Das aus dem Harnstoff entstehende Ammoniakgas reagiert dann im Katalysator chemisch mit den Stickoxiden, wodurch beide Arten von Gasen zu ungefährlichen Substanzen abgebaut werden.) In bestimmten Betriebszuständen (vor allem bei hoher Motorleistung) kann dadurch aber ein hoher Verbrauch der Harnstofflösung entstehen, sodass der oft recht klein ausgeführte Tank dafür zu schnell geleert wird und das Fahrzeug zum Nachfüllen womöglich sogar in eine Werkstätte gebracht werden muss. Hier entsteht also ein Anreiz für den Hersteller, die Harnstofflösung zu sparsam einzusetzen, um dem Kunden lästige Nachfüllaktionen zu ersparen. Hierfür braucht es freilich nicht unbedingt eine Testerkennung, da die üblichen Messzyklen ohnehin keine hohen Motorleistungen erfordern; es kann also das AdBlue grundsätzlich bei hoher Motorleistung zu sparsam dosiert werden, ohne das Bestehen eines Abgastests zu gefährden.

Abschaltung bei hoher Motorleistung

Diverse Zielkonflikte zwischen einer wirksamen Abgasreinigung und anderen Zielen (etwa betreffend den Verbrauch von Kraftstoff oder von Additiven) treten besonders stark für Betriebszustände mit hoher Motorleistung auf – insbesondere bei Motoren mit hoher hubraumspezifischer Leistung. Im vorangehenden Abschnitt wurde als ein Beispiel hierfür bereits der hohe Verbrauch an AdBlue-Flüssigkeit bei Dieselfahrzeugen mit SCR-Katalysator genannt.

Ein weiteres Beispiel betrifft viele Fahrzeuge mit Ottomotor. Hier gibt es nämlich häufig das Problem, dass der Abgaskatalysator, der normalerweise als Drei-Wege-Katalysator ausgeführt ist, bei hoher Motorleistung überhitzt werden könnte, was zum Ausfall oder zur beschleunigten Alterung führen würde. (Ähnliches kann für einen Turbolader gelten.) Dem kann der Hersteller begegnen, indem er die Motorsteuerung in solchen Fällen einen Überschuss von Benzin einsetzen lässt. Eine solche Volllastanreicherung senkt die Abgastemperatur ab, ohne die Motorleistung zu vermindern. Die unerwünschten Nebenwirkungen sind freilich ein deutlich erhöhter Kraftstoffverbrauch und vor allem ein massives Ansteigen der Emissionen von Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) einschließlich des krebserregenden Benzols. Der Abgaskatalysator kann dann wegen des Sauerstoffmangels nämlich nicht mehr als Drei-Wege-Katalysator arbeiten, sondern wirkt im Wesentlichen nur noch gegen Stickoxide.

Der Einsatz der Volllastanreicherung erfordert in aller Regel keine Testerkennung, da bei den üblichen Testzyklen ohnehin keine hohe Motorleistung benötigt wird. In der normalen Fahrpraxis kann dies jedoch häufig vorkommen – vor allem bei Fahrern, die gewohnheitsmäßig mit Vollgas beschleunigen. Die Folge ist dann, dass die CO- und HC-Emissionen in der Praxis weitaus höher ausfallen können, als man es nach der jeweiligen Abgasnorm (z. B. Euro 5 oder Euro 6) erwarten würde.

Die leider immer noch verbreitete Praxis der Volllastanreicherung kann im Prinzip als eine Maßnahme zum Bauteilschutz (siehe unten) eingestuft werden. Freilich wäre der Bauteilschutz oft auch möglich, indem man einfach darauf verzichtet, dem Motor die volle technisch mögliche Leistung abzuverlangen. Man kann die Volllastanreicherung also auch als eine Maßnahme ansehen, die auf billige und einfache Weise die maximale Motorleistung auf Kosten von Abgasqualität und Benzinverbrauch erhöht, ohne dass dies anhand der offiziellen Messdaten erkennbar wird. Besser konstruierte Benzinmotoren können die gleiche Leistung auch ohne jede Volllastanreicherung erzeugen, auch mit reduziertem Kraftstoffverbrauch, sind aber typischerweise in der Herstellung teurer. Leider kann man sich aber offenbar nicht einmal bei Premium-Herstellern darauf verlassen, dass solche zweifelhaften Praktiken nicht genutzt werden.

Abschaltung wegen Bauteilschutz

Die oben diskutierte Volllastanreicherung bei Benzinmotoren war bereits ein Beispiel für das Argument des Bauteilschutzes als (zweifelhafte) Rechtfertigung für Abschalteinrichtungen.

Mehrere Hersteller behaupten, bei Dieselfahrzeugen sei eine Abschaltung der Abgasreinigungsanlage am Beginn der Warmlaufphase und/oder bei tiefen Außentemperaturen wegen des nötigen Bauteilschutzes notwendig. Die Berechtigung dieser Argumentation wurde aber beispielsweise vom Wissenschaftlichen Dienst des Deutschen Bundestags bestritten [4]. Das Problem scheint vor allem die für die Stickoxid-Reduktion eingesetzte Abgasrückführung zu betreffen; bei niedrigen Temperaturen des Motors und/oder der zugeführten Verbrennungsluft kann ein hoher Grad von Abgasrückführung zu Ablagerungen im Abgaskühler oder im Einlasssystem führen, und diese wiederum können Störungen bis hin zu ernsten Motorschäden verursachen. Deswegen reduzieren anscheinend viele Hersteller von Dieselmotoren den Grad der Abgasrückführung bei niedrigen Temperaturen mit der Folge, dass die Stickoxidemissionen erheblich ansteigen. Im offiziellen Testzyklus wird dieses Problem nicht erkannt, da dort niedrige Lufttemperaturen nicht auftreten.

Welche Abschalteinrichtungen sind legal?

Die aktuelle EU-Verordnung Nr. 715/2007 über die Typgenehmigung von Kraftfahrzeugen [3] definiert zunächst Abschalteinrichtungen als “ein Konstruktionsteil, das die Temperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Motordrehzahl (UpM), den eingelegten Getriebegang, den Unterdruck im Einlasskrümmer oder sonstige Parameter ermittelt, um die Funktion eines beliebigen Teils des Emissionskontrollsystems zu aktivieren, zu verändern, zu verzögern oder zu deaktivieren, wodurch die Wirksamkeit des Emissionskontrollsystems unter Bedingungen, die bei normalem Fahrzeugbetrieb vernünftigerweise zu erwarten sind, verringert wird”. Ferner erklärt sie solche Abschalteinrichtungen für grundsätzlich unzulässig, außer unter ganz besonderen Umständen:

Manche Hersteller (beispielsweise auch Daimler) berufen sich extensiv auf die Notwendigkeit des Bauteilschutzes. Dieser gilt jedoch nach der EU-Verordnung nicht als eine Rechtfertigung für eine Abschalteinrichtung; erst die drohende Zerstörung des Motors oder die Verursachung eines Unfalls, nicht aber bereits das Auftreten von Verschleiß ist hier als Kriterium definiert. Zudem wird man eine Maßnahme erst dann als notwendig einstufen dürfen, wenn das genannte Ziel nicht auf andere technische Weise (ohne negative Wirkungen auf die Abgasreinigung) erreichbar ist – was hier offenbar nicht gegeben ist, da die gleichen Hersteller anscheinend ja auch die strengeren US-Anforderungen erfüllen können. Vor allem aber fordert die EU-Verordnung grundsätzlich, dass die Abgasreinigung ihre Funktion unter normalen Betriebsbedingungen erfüllen muss. Schließlich könnte die Verordnung sonst das explizite Ziel der Verbesserung der Luftqualität nicht erfüllen. Deswegen kann eine Abschalteinrichtung grundsätzlich nur dann als erlaubt gelten, wenn sie nur ausnahmsweise (in den konkret genannten Fällen und eher selten) eingesetzt wird, also ohne die durchschnittlichen Schadstoffemissionen im Normalbetrieb massiv zu erhöhen. Bei der Behauptung, der Bauteilschutz rechtfertige auch eine u. U. sehr häufig eingesetzte Abschaltung, handelt es sich also offensichtlich um eine recht stark überdehnte Interpretation der EU-Verordnung. Dieselbe fragwürdige Strategie wird von vielen Herstellern offenbar auch bei Benzinfahrzeugen praktiziert, bei denen regelmäßig eine Volllastanreicherung eingesetzt wird.

Man beachte übrigens auch, dass Immissionsgrenzwerte für Luftschadstoffe vielerorts viel häufiger überschritten werden, als es erlaubt wäre; vor diesem Hintergrund wird klar, dass eine wirksame Abgasreinigung insbesondere für den Schutz der menschlichen Gesundheit absolut notwendig ist. Selbstverständlich sollte der Schutz von Umwelt und Gesundheit Vorrang vor dem Bauteilschutz haben.

Wenn die oben genannten (nicht extensiv auszulegenden) Bedingungen erfüllt sind, darf eine Abschalteinrichtung gemäß EU-Verordnung eingesetzt werden, und zwar bisher sogar ohne dass der Hersteller dies bei der Beantragung der Typengenehmigung offenlegt. Dadurch ist es leider möglich, dass auch der Einsatz einer Abschalteinrichtung im nicht erlaubten Bereich erfolgt, ohne dass dies rasch erkannt wird. Beispielsweise wird dadurch häufig nicht überprüft, ob die Maßnahme für die Vermeidung einer Beschädigung überhaupt notwendig ist. Wenn sie schließlich beanstandet wird, kann zwischen Inbetriebnahme der Fahrzeuge und Behebung des Problems (z. B. in einer Rückrufaktion) Jahre vergehen, in denen massiv überhöhte Schadstoffemissionen auftreten. Es bleibt zu hoffen, dass diese Lücke möglichst bald geschlossen wird. In den USA sind die Bedingungen strenger; hier ist es gefordert, dass eine beispielsweise für den Bauteilschutz verwendete Abschalteinrichtung im Voraus offengelegt wird.

Eine unzulässige Abschalteinrichtung bedeutet konkret, dass eine Typengenehmigung für das Fahrzeug nicht erteilt werden darf bzw. nicht hätte erteilt werden dürfen. Weil dies trotzdem wiederholt geschehen ist, steht das in Deutschland zuständige Kraftfahrt-Bundesamt in der Kritik. Im April 2016 wurde bekannt gegeben, dass das Bundesamt mit diversen Herstellern umfangreiche Rückrufaktionen vereinbart hat (betreffend rund 630 000 Fahrzeuge), um das Problem zu lösen. Es bleibt abzuwarten, ob eine einfache Software-Aktualisierung das Problem ohne böse Nebenwirkungen löst (was die Unnötigkeit der Abschaltung in aller Deutlichkeit zeigen würde) oder aber Folgeschäden auftreten werden, weil die eingesetzte Technik tatsächlich unzulänglich war. Gegebenenfalls würden auch umfangreichere technische Nachrüstungen notwendig.

Freilich ist die EU-Abgasgesetzgebung in manchen Punkten noch nicht optimal; beispielsweise fehlt bisher die Pflicht der Offenlegung eingesetzter Abschalteinrichtungen, und auch die Grenzwerte z. B. für die Stickoxid-Emissionen sind im Vergleich zu den USA großzügig hoch angesetzt. Zudem ist es seit längerer Zeit bekannt, dass die offiziellen Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte wesentliche Lücken aufweisen. Diese Mängel sind wohlgemerkt nicht einfach den EU-Institutionen vorzuwerfen, da die Regierungen der EU-Mitgliedstaaten (nicht zuletzt auch von Deutschland) häufig einen starken Druck in Richtung einer Verwässerung der Vorschriften ausüben, um damit die Interessen ihrer Industrie zu fördern. Wenn dieselben Regierungen anschließend die Verantwortung allein bei der EU sehen möchten, sind sie damit natürlich unglaubwürdig.

Mangelhafte Funktion auch ohne aktive Abschaltung

Es sei darauf hingewiesen, dass Abgasreinigungsanlagen auch dann, wenn sie nicht aktiv abgeschaltet werden, unter Umständen nicht richtig funktionieren. Beispielsweise kann bei einem Dieselmotor die Abgastemperatur unter bestimmten Umständen so stark abfallen, dass der Abgaskatalysator seine Wirkung verliert – insbesondere dann, wenn mit sehr geringer Last, aber nicht allzu geringer Drehzahl gefahren wird (also in einem unnötig niedrigen Getriebegang). Dieses Problem mag im Testzyklus vermieden werden, indem der Testfahrer eine ungünstige Wahl des Gangs vermeidet, und trotzdem in der Praxis eine oft mangelhafte Wirkung der Abgasreinigung verursachen. Auch in solchen Problemen kann man eine Verletzung der oben genannten EU-Verordnung sehen, soweit daraus eine wesentliche Verschlechterung der Abgasqualität im normalen Praxisbetrieb resultieren kann.

Mögliche Probleme der nachträglichen Entfernung von Abschalteinrichtungen

Einige Autohersteller haben ihren Kunden Software-Updates der Motorsteuerung angeboten, mit denen verbotene (oder mindestens juristisch umstrittene) Abschalteinrichtungen entfernt werden sollen. Dies klingt zunächst nach einer einfachen und kostengünstigen Lösung; da eine Abschaltung praktisch immer durch Software initiiert wird, lässt sie sich durch ein entsprechendes Update der Software auch vermeiden.

In der Folge können beispielsweise die Stickoxidemissionen des Fahrzeugs erheblich vermindert sein – oft allerdings bei weitem nicht stark genug, um die geltenden Grenzwerte damit einzuhalten. Zusätzlich können je nach Art der Abschalteinrichtung unter Umständen unangenehme oder gar schwerwiegende Nebenwirkungen auftreten, wofür im Folgenden einige Beispiele genannt werden:

Damit ist nicht gesagt, dass solche Software-Updates schwerwiegendere Probleme erzeugen, als sie lösen, und dass sie deswegen so weit möglich vermieden werden sollten. Jedoch ist klar, dass diverse nachteilige Nebenwirkungen sehr wohl denkbar sind und teils auch bereits in der Praxis beobachtet wurden – wobei der Kunde in der Regel nicht im Voraus beurteilen kann, wie groß die Gefahr hierfür ist. Diese Problematik würde natürlich durch entsprechende Garantien der Hersteller entschärft, jedoch sind diese dazu oft nicht bereit.

Teilweise dürfte die begrenzte Wirksamkeit von Software-Updates auch gerade daher rühren, dass die Hersteller die Abschalteinrichtungen nicht vollständig deaktivieren, um die genannten Probleme zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren. Es dürfte oft zumindest mit reinen Software-Lösungen unmöglich sein, die Abgasgrenzwerte einzuhalten, ohne schwerwiegende Nebenwirkungen in Kauf zu nehmen.

Die grundlegende Problematik besteht darin, dass die Fahrzeughersteller die Abschalteinrichtungen aus bestimmten Gründen verwendet haben, die nicht einfach zu beseitigen sind. Beispielsweise kann das Problem eines erhöhten AdBlue-Verbrauchs zwar im Prinzip mit einem größeren Tank für diese Flüssigkeit entschärft werden, jedoch findet sich hierfür für eine nachträgliche Nachrüstung noch viel weniger leicht den nötigen Platz, als dies bei einer früheren Phase der Fahrzeugentwicklung der Fall gewesen wäre. In manchen Fällen müssten auch zusätzliche oder verbesserte Teile eingebaut werden, um beispielsweise bestimmte Probleme mit Ablagerungen auch bei ordnungsgemäßem Betrieb der Abgasreinigung zu vermeiden. Solche nachträglichen Änderungen an der Hardware dürften jedoch recht aufwendig sein, weshalb die Hersteller sie unbedingt vermeiden möchten.

Literatur

[1]Blog-Artikel "Diesel-Abgasskandal: Bauteilschutz als Rechtfertigung für Abschalteinrichtungen?"
[2]Blog-Artikel "Dieselfahrzeuge von Volkswagen: Einhaltung von Abgasgrenzwerten mit illegalen Manipulationen"
[3]EU-Verordnung Nr. 715/2007 über die Typgenehmigung von Kraftfahrzeugen hinsichtlich der Emissionen von leichten Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen (Euro 5 und Euro 6) und über den Zugang zu Reparatur- und Wartungsinformationen für Fahrzeuge, http://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/HTML/?uri=CELEX:32007R0715&from=de
[4]Rechtsgutachten des Wissenschaftlicher Dienstes des deutschen Bundestags zur Zulässigkeit der Verwendung von Abschalteinrichtungen, beauftragt vom Deutschen Bundestag, Az. WD 7 - 3000 - 031/16 (anscheinend nicht öffentlich)
[5]Bericht der Untersuchungskommission “Volkswagen” im Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, http://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Publikationen/LA/bericht-untersuchungskommission-volkswagen.pdf?__blob=publicationFile

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Luftschadstoffe, Abgaskatalysator, Abgasqualität, Stickoxide, Rußpartikelfilter, Volllastanreicherung, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Umwelt und Ökologie

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